氮化镓 (GaN) 它是一种宽带间隙半导体，其在各种电力电子中的应用正在增长。这是由于该材料在功率密度、耐高温和高开关频率下的特殊性能优于硅 (Si)。长期以来，在电力和电子领域占主导地位的硅几乎达到了其物理极限，从而将电子研究转向能够提供更高功率密度和更好能源效率的材料。GaN 的带隙 (3.4 eV) 大约是硅 (1.1 eV) 的 3 提供更高的临界电场，同时降低介电常数，从而降低介电常数 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相比) [SiC]）相比，GaN 热导率较低(约为 1.3 W/cmK，而在 300K 时为 1.5 W/cmK），能有效散热的封装技术需要仔细设计布局，适当开发。通过用 GaN 工程师可以设计更小、更轻、能量损失更少、成本更低的电子系统，而不是硅基装置。 基于汽车、电信、云系统、电压转换器、电动汽车等应用领域对日益高效解决方案的需求， GaN 功率器件的市场份额正在急剧增长。本文将介绍 GaN 这些应用不仅代表了技术挑战，也代表了扩大市场的新兴机遇。01 由于其出色的特性，电机驱动，GaN 建议在电机控制领域作为传统硅基 MOSFET 和 IGBT 有效替代品。GaN 该技术的开关频率高达硅 1,000 加上较低的导通性和开关损耗，可以提供高效、轻便、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）允许工程师使用较低值(因此尺寸较小)的电感器和电容器。低 R DS( on)减少产生的热量，提高能源效率，实现更紧凑的尺寸。与 Si 与基装件相比，基装件，GaN 基础设备需要更高的工作电压，可以处理高工作电压 dV/dt 电容器具有瞬态和低等效串联电阻。 GaN 另一个优点是高击穿电压(50-100 V，典型的与其他半导体可以获得的一样 5 至 15-V 与值相比)，它允许功率器件在更高的输入功率和电压下运行而不损坏。允许更高的开关频率 GaN 该设备可以实现更大的带宽，因此可以实现更严格的电机控制算法。另外，使用变频驱动 (VFD) 传统的电机控制可以实现 Si MOSFET 和 IGBT 无法获得的效率水平。此外，VFD 由于电机速度可以上升和下降，因此实现了极其准确的速度控制，从而将负载保持在所需的速度。图1 显示了 TI TIDA-00909 基于三个半桥的参考设计 GaN 电源模块的三相逆变器。GaN 晶体管的开关速度比 Si 晶体管要快得多，从而减少了寄生电感和损耗，提高了开关性能(小于 2ns 上升和下降时间)，并允许设计师缩小或消除散热器的尺寸。GaN 功率级开关损耗很低，允许更高 PWM 开关频率，在 100kHz PWM 峰值效率高达 98.5%。 02 5GGaN 还在 RF 该领域提供了具体而有趣的前景，可以有效地放大高频信号（甚至数千兆赫的数量级）。因此，雷达、预警系统、卫星通信和基站等应用程序可以创建高频放大器和发射器，可以覆盖相当长的距离。5G作为下一代移动技术， 具有较大的容量和效率、较低的延迟和无处不在的连接优势。包括使用不同频段在内的不同频段 sub-6-GHz 频带和毫米波 (mmWave)（24-GHz 以上)频段，需要 GaN 能提供高带宽、高功率密度、高效率的材料价值观。由于其物理特性和晶体结构，GaN 在相同的施加电压下，可以支持可比的横向扩散 MOSFET 设备开关频率较高，从而实现占用面积较小。新兴的 5G 如大规模多输入多输出等技术 (MIMO) 和毫米波，需要一个特殊的射频前端芯片组。GaN-on-SiC，它将 GaN 高功率密度与 SiC 高导热性和降低射频损耗的结合被证明是高功率的 5G 最适合射频应用的解决方案。目前，市场上有几种适用方法 5G 应用的 GaN 例如，用于设备 5G 大规模 MIMO 低噪声放大器和多通道开关的应用。03 GaN的无线电力传输 无线充电技术是最具创新性的应用之一，其中 GaN 通过将更多的能量传输到接收设备，可以降低功率损失。这些系统通常包括射频接收器和功率放大器 6.78 或 13.56 MHz，并基于 GaN 器件。与传统的硅基装置相比，GaN 晶体管获得了非常紧凑的解决方案，这是无线充电应用的关键因素。一个示例应用程序是在无人机中，可用空间有限，可以在无人机从短距离停止在充电器上充电。使用最有效的集成无线功率传输解决方案 GaN 晶体管将系统尺寸降低多达 2 到 3 倍，从而降低充电系统的成本。650-V GaN e-HEMT 晶体管为高效无线充电提供了理想的解决方案，功率范围约为 10 W 到超过 2 kW。图 2 它显示了一个基础 GaN 小型工具或移动设备无线充电解决方案。 04 Gan，数据中心 与硅的结合也为数据中心领域提供了重要的机遇，其中高性能和降低成本非常重要。在云服务器 24/7 电压转换器广泛应用于全天候运行的数据中心，典型值为 48 V、12 V 为多处理器系统内核供电的电压甚至更低。随着全球发电的快速增长，包括运营数据中心和云计算服务在内的公司，电力转换效率已成为寻求实现净零排放的关键因素。在较小的空间内，数据中心需要越来越多的功率，这是 GaN 该技术可以广泛满足转换器和电源的要求，实现更高效、更小的尺寸和更好的热管理，从而降低供应商的成本。在数据中心很常见 AC/DC 转换器，其中 PFC 前端级将总线电压调整为 DC 值，然后是 DC/DC 等级用于降低总线电压，提供电流隔离和调节 DC 输出（48 V、12 V 等）。PFC 保持电源的输入电流与电源电压同步，从而最大限度地提高有功功率。基于 GaN 的图腾柱 PFC(见实际功率最大化。基于 GaN 的图腾柱 PFC（见 从而最大化实际功率。基于 GaN 的图腾柱 PFC（见 图 3 ) 在效率和功率密度方面被证明是一个成功的拓扑。 05 从历史上看，氮化镓挑战已经实现 GaN 可靠性和价格是技术扩散需要克服的主要挑战。与可靠性相关的第一个问题已经基本解决，商业设备可以高于 200°C 保证结温下运行超过 100 平均故障时间为1万小时。尽管早期的 GaN 设备比硅等竞争技术贵得多，但价格差距已经从最初开始 2 到 4 英寸晶圆到 6 英寸晶圆和最近的晶圆 8 英寸（200 毫米)晶圆上的 GaN 晶圆的生产明显缩小。最近的发展和持续的工艺改进将继续减少 GaN 设备的制造成本使其价格更具竞争力。