GaN技术的应用及挑战和未来展望

氮化镓 (GaN) 是一种宽带隙半导体，其在多种电力电子应用中的使用量不断增长。这是由于这种材料的卓越性能，在功率密度、耐高温性和高开关频率下的操作方面优于硅 (Si)。

长期以来，作为电力电子领域主要半导体的硅几乎已达到其物理极限，将电子研究转向能够提供更高功率密度和更高能效的材料。GaN 的带隙 (3.4 eV) 比硅 (1.1 eV) 的带隙高约 3 倍，提供更高的临界电场，同时降低介电常数，导致低 R DS( on)在给定的阻断电压下。与硅相比（在更大程度上与碳化硅 [SiC]）相比，GaN 的热导率较低（约 1.3 W/cmK，而 300K 时为 1.5 W/cmK），需要仔细设计布局和适当的能够有效散发热量的封装技术。通过用 GaN 晶体管替代硅基器件，工程师可以设计出更小、更轻、能量损失更少且成本更低的电子系统。

在汽车、电信、云系统、电压转换器、电动汽车等应用中对日益高效的解决方案的需求推动下，基于 GaN 的功率器件的市场占有率正在急剧增长。在本文中，我们将介绍 GaN 的一些应用，这些应用不仅代表技术挑战，而且最重要的是代表扩大市场的新兴机会。

电机驱动

由于其出色的特性，GaN 已被提议作为电机控制领域中传统 Si 基 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。GaN 技术高达硅的 1,000 倍开关频率，再加上较低的传导和开关损耗，可提供高效、轻便且占用空间小的解决方案。高开关频率（GaN 功率晶体管的开关速度可以达到 100 V/ns）允许工程师使用更低值（因此尺寸更小）的电感器和电容器。低RDS( on)减少产生的热量，提高能源效率并允许更紧凑的尺寸。与基于硅的器件相比，基于氮化镓的器件需要具有更高工作电压、能够处理高 dV/dt 瞬变和低等效串联电阻的电容器。

GaN 提供的另一个优势是其高击穿电压（50-100 V，与其他半导体可获得的典型 5 至 15 V 值相比），这使得功率器件能够在更高的输入功率和电压下运行，而不会被损坏的。更高的开关频率允许 GaN 器件实现更大的带宽，因此可以实施更严格的电机控制算法。此外，通过使用变频驱动 (VFD) 电机控制，可以实现传统 Si MOSFET 和 IGBT 无法达到的效率水平。此外，VFD 实现了极其精确的速度控制，因为电机速度可以斜坡上升和下降，从而将负载保持在所需的速度。图1显示了 TI TIDA-00909 参考设计，基于具有三个半桥 GaN 功率模块的三相逆变器。GaN 晶体管的开关速度比 Si 晶体管快得多，减少了寄生电感和损耗，提高了开关性能（上升和下降时间小于 2 ns），并允许设计人员缩小尺寸或取消散热器。GaN 功率级具有非常低的开关损耗，允许更高的 PWM 开关频率，在 100-kHz PWM 下的峰值效率高达 98.5%。

图 1：用于高速电机驱动的三相 GaN 逆变器

5G

GaN 还在射频领域提供了具体且非常有趣的前景，能够非常有效地放大高频信号（甚至几千兆赫的数量级）。因此，可以创建能够覆盖相当远距离的高频放大器和发射机，其应用包括雷达、预警系统、卫星通信和基站。

作为下一代移动技术，5G 在更大的容量和效率、更低的延迟和无处不在的连接方面提供了显着的优势。使用不同频段，包括 6 GHz 以下频段和毫米波 (mmWave)（24 GHz 以上）频段，需要能够提供高带宽、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体结构，GaN 可以在相同的施加电压下支持比类似横向扩散 MOSFET 器件更高的开关频率，从而实现更小的占位面积。新兴的 5G 技术，例如大规模多输入多输出 (MIMO) 和毫米波，需要专用的射频前端芯片组。氮化镓碳化硅，将 GaN 的高功率密度与 SiC 的高导热性和低射频损耗相结合，被证明是高功率 5G 和射频应用的最合适解决方案。目前市场上有多种适用于 5G 应用的基于 GaN 的器件，例如用于 5G 大规模 MIMO 应用的低噪声放大器和多通道开关。

无线电力传输

GaN 最具创新性的应用之一是无线充电技术，其中 GaN 的高效率通过将更多能量传输到接收设备来降低功率损耗。这些系统通常包括一个 RF 接收器和一个功率放大器，以 6.78 或 13.56 MHz 的频率运行并基于 GaN 器件。与传统的硅基器件相比，GaN 晶体管获得了尺寸非常紧凑的解决方案，这是无线充电应用的关键因素。一个示例应用是在无人机中，其中可用空间是有限的，并且可以在无人机在距离很近的地方悬停在充电器上的情况下进行充电。

最有效的集成无线电力传输解决方案使用 GaN 晶体管将系统尺寸缩小多达 2 到 3 倍，从而降低充电系统成本。650V GaN e-HEMT 晶体管为高效无线充电提供了理想的解决方案，功率水平范围从大约 10 W 到超过 2 kW。图 2显示了一种基于 GaN 器件的小型工具或移动设备无线充电解决方案。

数据中心

GaN 与硅的结合也为数据中心领域提供了重要的机会，其中高性能和降低成本非常重要。在云服务器24/7全天候运行的数据中心，电压转换器被广泛使用，典型值为48 V、12 V，甚至更低的电压为多处理器系统内核供电。随着全球发电量的迅速增加，电力转换效率已成为寻求实现净零的公司的关键因素，包括运营数据中心和云计算服务的公司。数据中心需要在更小的空间中获得越来越多的电力，这是 GaN 技术可以广泛满足的要求，实现更高的转换器和电源效率、尺寸减小和更好的热管理，从而降低供应商的成本。数据中心中非常常见的是 AC/DC 转换器，其中 PFC 前端级将总线电压调节为 DC 值，然后是 DC/DC 级降低总线电压并提供电流隔离和调节的 DC 输出（48 V、12 V 等）。PFC 级使电源的输入电流与电源电压保持同步，从而最大限度地提高实际功率。基于 GaN 的图腾柱 PFC（参见 从而最大限度地发挥真正的力量。基于 GaN 的图腾柱 PFC（参见 从而最大限度地发挥真正的力量。基于 GaN 的图腾柱 PFC（参见图 3) 被证明是在效率和功率密度方面获胜的拓扑。

图 2：图腾柱 PFC 功率级的方框图

氮化镓挑战

从历史上看，实现 GaN 技术不断扩大的扩散需要克服的主要挑战是可靠性和价格。与可靠性相关的第一个问题已基本得到解决，商业设备通过在 200˚C 以上的结温下运行，能够保证平均无故障时间超过 100 万小时。尽管早期的 GaN 器件比硅等竞争技术贵得多，但价格差距已从最初的 2 至 4 英寸晶圆生产到 6 英寸晶圆，以及最近的 8 英寸（200 毫米）晶圆上的GaN 生产显着缩小晶圆。最近的发展和持续的工艺改进将继续降低 GaN 器件的制造成本，使其价格更具竞争力。

审核编辑：郭婷