氮化鎵?(GaN) 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，其在多種電力電子中的應(yīng)用正在不斷增長(zhǎng)。這是由于這種材料的特殊性能，在功率密度、耐高溫和在高開關(guān)頻率下工作方面優(yōu)于硅 (Si)。

長(zhǎng)期以來，在電力電子領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的硅幾乎已達(dá)到其物理極限，從而將電子研究轉(zhuǎn)向能夠提供更大功率密度和更好能源效率的材料。GaN 的帶隙 (3.4 eV) 大約是硅 (1.1 eV) 的 3 倍，提供更高的臨界電場(chǎng)，同時(shí)降低介電常數(shù)，從而降低 R DS( on)在給定的阻斷電壓下。與硅相比（在更大程度上，與碳化硅 [SiC]）相比，GaN 的熱導(dǎo)率更低（約為 1.3 W/cmK，而在 300K 時(shí)為 1.5 W/cmK），需要仔細(xì)設(shè)計(jì)布局和適當(dāng)?shù)拈_發(fā)出能夠有效散熱的封裝技術(shù)。通過用 GaN 晶體管代替硅基器件，工程師可以設(shè)計(jì)出更小、更輕、能量損失更少且成本更低的電子系統(tǒng)。?

受汽車、電信、云系統(tǒng)、電壓轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)汽車等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)θ找娓咝У慕鉀Q方案的需求的推動(dòng)，基于 GaN 的功率器件的市場(chǎng)占有率正在急劇增長(zhǎng)。在本文中，我們將介紹 GaN 的一些應(yīng)用，這些應(yīng)用不僅代表了技術(shù)挑戰(zhàn)，而且最重要的是，代表了擴(kuò)大市場(chǎng)的新興機(jī)遇。

01 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

由于其出色的特性，GaN 已被提議作為電機(jī)控制領(lǐng)域中傳統(tǒng)硅基 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。GaN 技術(shù)的開關(guān)頻率高達(dá)硅的 1,000 倍，加上較低的導(dǎo)通和開關(guān)損耗，可提供高效、輕巧且占用空間小的解決方案。高開關(guān)頻率（GaN 功率晶體管的開關(guān)速度可以達(dá)到 100 V/ns）允許工程師使用較低值（因此尺寸更?。┑碾姼衅骱碗娙萜?。低 R DS( on)減少產(chǎn)生的熱量，提高能源效率并實(shí)現(xiàn)更緊湊的尺寸。與 Si 基器件相比，GaN 基器件需要具有更高工作電壓、能夠處理高 dV/dt 瞬態(tài)和低等效串聯(lián)電阻的電容器。?

GaN 提供的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其高擊穿電壓（50-100 V，與其他半導(dǎo)體可獲得的典型 5 至 15-V 值相比），它允許功率器件在更高的輸入功率和電壓下運(yùn)行而無需損壞的。更高的開關(guān)頻率允許 GaN 器件實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，因此可以實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的電機(jī)控制算法。此外，通過使用變頻驅(qū)動(dòng) (VFD) 電機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng) Si MOSFET 和 IGBT 無法獲得的效率水平。此外，VFD 實(shí)現(xiàn)了極其精確的速度控制，因?yàn)殡姍C(jī)速度可以上升和下降，從而將負(fù)載保持在所需的速度。圖1 顯示了 TI TIDA-00909 參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)基于具有三個(gè)半橋 GaN 電源模塊的三相逆變器。GaN 晶體管的開關(guān)速度比 Si 晶體管快得多，從而降低了寄生電感和損耗，提高了開關(guān)性能（小于 2ns 的上升和下降時(shí)間），并允許設(shè)計(jì)人員縮小或消除散熱器的尺寸。GaN 功率級(jí)具有非常低的開關(guān)損耗，允許更高的 PWM 開關(guān)頻率，在 100kHz PWM 時(shí)峰值效率高達(dá) 98.5%。?

02 5G

GaN 還在 RF 領(lǐng)域提供了具體且非常有趣的前景，能夠非常有效地放大高頻信號(hào)（甚至幾千兆赫的數(shù)量級(jí)）。因此，可以創(chuàng)建能夠覆蓋相當(dāng)遠(yuǎn)距離的高頻放大器和發(fā)射器，用于雷達(dá)、預(yù)警系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和基站等應(yīng)用。

作為下一代移動(dòng)技術(shù)，5G 在更大容量和效率、更低延遲和無處不在的連接方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。使用不同的頻段，包括 sub-6-GHz 頻段和毫米波 (mmWave)（24-GHz 以上）頻段，需要 GaN 等能夠提供高帶寬、高功率密度和卓越效率的材料價(jià)值觀。由于其物理特性和晶體結(jié)構(gòu)，GaN 可以在相同的施加電壓下支持比可比較的橫向擴(kuò)散 MOSFET 器件更高的開關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)更小的占位面積。新興的 5G 技術(shù)，例如大規(guī)模多輸入多輸出 (MIMO) 和毫米波，需要專用的射頻前端芯片組。GaN-on-SiC，它將 GaN 的高功率密度與 SiC 的高導(dǎo)熱性和降低的射頻損耗相結(jié)合，被證明是高功率 5G 和射頻應(yīng)用的最合適的解決方案。

目前市場(chǎng)上有幾種適用于 5G 應(yīng)用的 GaN 器件，例如用于 5G 大規(guī)模 MIMO 應(yīng)用的低噪聲放大器和多通道開關(guān)。

03 無線電力傳輸

GaN 最具創(chuàng)新性的應(yīng)用之一是無線充電技術(shù)，其中 GaN 的高效率通過將更多的能量傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備來降低功率損耗。這些系統(tǒng)通常包括一個(gè)射頻接收器和一個(gè)功率放大器，工作頻率為 6.78 或 13.56 MHz，并基于 GaN 器件。與傳統(tǒng)的硅基器件相比，GaN 晶體管獲得了尺寸非常緊湊的解決方案，這是無線充電應(yīng)用的關(guān)鍵因素。一個(gè)示例應(yīng)用是在無人機(jī)中，其中可用空間有限，并且可以在無人機(jī)從短距離懸停在充電器上的情況下進(jìn)行充電。

最有效的集成無線功率傳輸解決方案使用 GaN 晶體管將系統(tǒng)尺寸減小多達(dá) 2 到 3 倍，從而降低充電系統(tǒng)成本。650-V GaN e-HEMT 晶體管為高效無線充電提供了理想的解決方案，功率范圍從大約 10 W 到超過 2 kW。圖 2 顯示了一種基于 GaN 器件的小型工具或移動(dòng)設(shè)備無線充電解決方案。?

04 數(shù)據(jù)中心

GaN 與硅的結(jié)合也為數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域提供了重要機(jī)會(huì)，其中高性能和降低成本至關(guān)重要。在云服務(wù)器 24/7 全天候運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心中，電壓轉(zhuǎn)換器被廣泛使用，典型值為 48 V、12 V 甚至更低的電壓，用于為多處理器系統(tǒng)內(nèi)核供電。隨著全球發(fā)電量的快速增長(zhǎng)，電力轉(zhuǎn)換效率已成為尋求實(shí)現(xiàn)凈零排放的公司的關(guān)鍵因素，包括運(yùn)營數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算服務(wù)的公司。數(shù)據(jù)中心在更小的空間內(nèi)需要越來越多的功率，這是 GaN 技術(shù)可以廣泛滿足的要求，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器和電源的更高效率、尺寸減小和更好的熱管理，從而降低供應(yīng)商的成本。在數(shù)據(jù)中心中非常常見的是 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，其中 PFC 前端級(jí)將總線電壓調(diào)節(jié)為 DC 值，然后是?DC/DC?級(jí)，用于降低總線電壓并提供電流隔離和調(diào)節(jié)的 DC 輸出（48 V、12 V 等）。

PFC 級(jí)使電源的輸入電流與電源電壓保持同步，從而最大限度地提高有功功率。基于 GaN 的圖騰柱 PFC（見從而最大化實(shí)際功率?；?GaN 的圖騰柱 PFC（見?從而最大化實(shí)際功率?；?GaN 的圖騰柱 PFC（見?圖 3 ) 在效率和功率密度方面被證明是一個(gè)成功的拓?fù)洹?

05 氮化鎵挑戰(zhàn)

從歷史上看，實(shí)現(xiàn) GaN 技術(shù)不斷增長(zhǎng)的擴(kuò)散需要克服的主要挑戰(zhàn)是可靠性和價(jià)格。與可靠性有關(guān)的第一個(gè)問題已基本解決，商業(yè)設(shè)備能夠通過在高于 200°C 的結(jié)溫下運(yùn)行來保證超過 100 萬小時(shí)的平均故障時(shí)間。盡管早期的 GaN 器件比硅等競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)要貴得多，但價(jià)格差距已從最初的 2 到 4 英寸晶圓到 6 英寸晶圓以及最近的 8 英寸（200 毫米）晶圓上的 GaN 生產(chǎn)顯著縮小晶圓。最近的發(fā)展和持續(xù)的工藝改進(jìn)將繼續(xù)降低 GaN 器件的制造成本，使其價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)力。