氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，其在多種電力電子應(yīng)用中的使用量不斷增長。這是由于這種材料的卓越性能，在功率密度、耐高溫性和高開關(guān)頻率下的操作方面優(yōu)于硅 (Si)。

長期以來，作為電力電子領(lǐng)域主要半導(dǎo)體的硅幾乎已達到其物理極限，將電子研究轉(zhuǎn)向能夠提供更高功率密度和更高能效的材料。GaN 的帶隙 (3.4 eV) 比硅 (1.1 eV) 的帶隙高約 3 倍，提供更高的臨界電場，同時降低介電常數(shù)，導(dǎo)致低 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)率較低（約 1.3 W/cmK，而 300K 時為 1.5 W/cmK），需要仔細設(shè)計布局和適當?shù)哪軌蛴行l(fā)熱量的封裝技術(shù)。通過用 GaN 晶體管替代硅基器件，工程師可以設(shè)計出更小、更輕、能量損失更少且成本更低的電子系統(tǒng)。

在汽車、電信、云系統(tǒng)、電壓轉(zhuǎn)換器、電動汽車等應(yīng)用中對日益高效的解決方案的需求推動下，基于 GaN 的功率器件的市場占有率正在急劇增長。在本文中，我們將介紹 GaN 的一些應(yīng)用，這些應(yīng)用不僅代表技術(shù)挑戰(zhàn)，而且最重要的是代表擴大市場的新興機會。

電機驅(qū)動

由于其出色的特性，GaN 已被提議作為電機控制領(lǐng)域中傳統(tǒng) Si 基 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。GaN 技術(shù)高達硅的 1,000 倍開關(guān)頻率，再加上較低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，可提供高效、輕便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)速度可以達到 100 V/ns）允許工程師使用更低值（因此尺寸更小）的電感器和電容器。低RDS( on)減少產(chǎn)生的熱量，提高能源效率并允許更緊湊的尺寸。與基于硅的器件相比，基于氮化鎵的器件需要具有更高工作電壓、能夠處理高 dV/dt 瞬變和低等效串聯(lián)電阻的電容器。

GaN 提供的另一個優(yōu)勢是其高擊穿電壓（50-100 V，與其他半導(dǎo)體可獲得的典型 5 至 15 V 值相比），這使得功率器件能夠在更高的輸入功率和電壓下運行，而不會被損壞的。更高的開關(guān)頻率允許 GaN 器件實現(xiàn)更大的帶寬，因此可以實施更嚴格的電機控制算法。此外，通過使用變頻驅(qū)動 (VFD) 電機控制，可以實現(xiàn)傳統(tǒng) Si MOSFET 和 IGBT 無法達到的效率水平。此外，VFD 實現(xiàn)了極其精確的速度控制，因為電機速度可以斜坡上升和下降，從而將負載保持在所需的速度。圖1顯示了 TI TIDA-00909 參考設(shè)計，基于具有三個半橋 GaN 功率模塊的三相逆變器。GaN 晶體管的開關(guān)速度比 Si 晶體管快得多，減少了寄生電感和損耗，提高了開關(guān)性能（上升和下降時間小于 2 ns），并允許設(shè)計人員縮小尺寸或取消散熱器。GaN 功率級具有非常低的開關(guān)損耗，允許更高的 PWM 開關(guān)頻率，在 100-kHz PWM 下的峰值效率高達 98.5%。

圖 1：用于高速電機驅(qū)動的三相 GaN 逆變器

5G

GaN 還在射頻領(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（甚至幾千兆赫的數(shù)量級）。因此，可以創(chuàng)建能夠覆蓋相當遠距離的高頻放大器和發(fā)射機，其應(yīng)用包括雷達、預(yù)警系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和基站。

作為下一代移動技術(shù)，5G 在更大的容量和效率、更低的延遲和無處不在的連接方面提供了顯著的優(yōu)勢。使用不同頻段，包括 6 GHz 以下頻段和毫米波 (mmWave)（24 GHz 以上）頻段，需要能夠提供高帶寬、高功率密度和卓越效率的 GaN 等材料值。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類似橫向擴散 MOSFET 器件更高的開關(guān)頻率，從而實現(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。氮化鎵碳化硅，將 GaN 的高功率密度與 SiC 的高導(dǎo)熱性和低射頻損耗相結(jié)合，被證明是高功率 5G 和射頻應(yīng)用的最合適解決方案。目前市場上有多種適用于 5G 應(yīng)用的基于 GaN 的器件，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)。

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 RF 接收器和一個功率放大器，以 6.78 或 13.56 MHz 的頻率運行并基于 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。一個示例應(yīng)用是在無人機中，其中可用空間是有限的，并且可以在無人機在距離很近的地方懸停在充電器上的情況下進行充電。

最有效的集成無線電力傳輸解決方案使用 GaN 晶體管將系統(tǒng)尺寸縮小多達 2 到 3 倍，從而降低充電系統(tǒng)成本。650V GaN e-HEMT 晶體管為高效無線充電提供了理想的解決方案，功率水平范圍從大約 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設(shè)備無線充電解決方案。

數(shù)據(jù)中心

GaN 與硅的結(jié)合也為數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域提供了重要的機會，其中高性能和降低成本非常重要。在云服務(wù)器24/7全天候運行的數(shù)據(jù)中心，電壓轉(zhuǎn)換器被廣泛使用，典型值為48 V、12 V，甚至更低的電壓為多處理器系統(tǒng)內(nèi)核供電。隨著全球發(fā)電量的迅速增加，電力轉(zhuǎn)換效率已成為尋求實現(xiàn)凈零的公司的關(guān)鍵因素，包括運營數(shù)據(jù)中心和云計算服務(wù)的公司。數(shù)據(jù)中心需要在更小的空間中獲得越來越多的電力，這是 GaN 技術(shù)可以廣泛滿足的要求，實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換器和電源效率、尺寸減小和更好的熱管理，從而降低供應(yīng)商的成本。數(shù)據(jù)中心中非常常見的是 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，其中 PFC 前端級將總線電壓調(diào)節(jié)為 DC 值，然后是 DC/DC 級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實際功率?；?GaN 的圖騰柱 PFC（參見 從而最大限度地發(fā)揮真正的力量?；?GaN 的圖騰柱 PFC（參見 從而最大限度地發(fā)揮真正的力量?；?GaN 的圖騰柱 PFC（參見圖 3) 被證明是在效率和功率密度方面獲勝的拓撲。

圖 2：圖騰柱 PFC 功率級的方框圖

氮化鎵挑戰(zhàn)

從歷史上看，實現(xiàn) GaN 技術(shù)不斷擴大的擴散需要克服的主要挑戰(zhàn)是可靠性和價格。與可靠性相關(guān)的第一個問題已基本得到解決，商業(yè)設(shè)備通過在 200?C 以上的結(jié)溫下運行，能夠保證平均無故障時間超過 100 萬小時。盡管早期的 GaN 器件比硅等競爭技術(shù)貴得多，但價格差距已從最初的 2 至 4 英寸晶圓生產(chǎn)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)的工藝改進將繼續(xù)降低 GaN 器件的制造成本，使其價格更具競爭力。

審核編輯：郭婷