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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应用正在不断增长。这是由于这种材料的特殊性能,在功率密度、耐高温和在高开关频率下工作方面优于硅 (Si)。

长期以来,在电力电子领域占主导地位的硅几乎已达到其物理极限,从而将电子研究转向能够提供更大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 倍,提供更高的临界电场,同时降低介电常数,从而降低 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 的热导率更低(约为 1.3 W/cmK,而在 300K 时为 1.5 W/cmK),需要仔细设计布局和适当的开发出能够有效散热的封装技术。通过用 GaN 晶体管代替硅基器件,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。


受汽车、电信、云系统、电压转换器、电动汽车等应用领域对日益高效的解决方案的需求的推动,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,这些应用不仅代表了技术挑战,而且最重要的是,代表了扩大市场的新兴机遇。


01 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硅基 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。GaN 技术的开关频率高达硅的 1,000 倍,加上较低的导通和开关损耗,可提供高效、轻巧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)允许工程师使用较低值(因此尺寸更小)的电感器和电容器。低 R DS( on) 减少产生的热量,提高能源效率并实现更紧凑的尺寸。与 Si 基器件相比,GaN 基器件需要具有更高工作电压、能够处理高 dV/dt 瞬态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),它允许功率器件在更高的输入功率和电压下运行而无需损坏的。更高的开关频率允许 GaN 器件实现更大的带宽,因此可以实现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 无法获得的效率水平。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,该设计基于具有三个半桥 GaN 电源模块的三相逆变器。GaN 晶体管的开关速度比 Si 晶体管快得多,从而降低了寄生电感和损耗,提高了开关性能(小于 2ns 的上升和下降时间),并允许设计人员缩小或消除散热器的尺寸。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 100kHz PWM 时峰值效率高达 98.5%。

02 5G


GaN 还在 RF 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器,用于雷达、预警系统、卫星通信和基站等应用。


作为下一代移动技术,5G 在更大容量和效率、更低延迟和无处不在的连接方面具有显着优势。使用不同的频段,包括 sub-6-GHz 频段和毫米波 (mmWave)(24-GHz 以上)频段,需要 GaN 等能够提供高带宽、高功率密度和卓越效率的材料价值观。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可比较的横向扩散 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。GaN-on-SiC,它将 GaN 的高功率密度与 SiC 的高导热性和降低的射频损耗相结合,被证明是高功率 5G 和射频应用的最合适的解决方案。目前市场上有几种适用于 5G 应用的 GaN 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。


03 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的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射频接收器和一个功率放大器,工作频率为 6.78 或 13.56 MHz,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,其中可用空间有限,并且可以在无人机从短距离悬停在充电器上的情况下进行充电。


最有效的集成无线功率传输解决方案使用 GaN 晶体管将系统尺寸减小多达 2 到 3 倍,从而降低充电系统成本。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。


04 数据中心


GaN 与硅的结合也为数据中心领域提供了重要机会,其中高性能和降低成本至关重要。在云服务器 24/7 全天候运行的数据中心中,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,用于为多处理器系统内核供电。随着全球发电量的快速增长,电力转换效率已成为寻求实现净零排放的公司的关键因素,包括运营数据中心和云计算服务的公司。数据中心在更小的空间内需要越来越多的功率,这是 GaN 技术可以广泛满足的要求,实现转换器和电源的更高效率、尺寸减小和更好的热管理,从而降低供应商的成本。在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,用于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有功功率。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 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 氮化镓挑战


从历史上看,实现 GaN 技术不断增长的扩散需要克服的主要挑战是可靠性和价格。与可靠性有关的第一个问题已基本解决,商业设备能够通过在高于 200°C 的结温下运行来保证超过 100 万小时的平均故障时间。尽管早期的 GaN 器件比硅等竞争技术要贵得多,但价格差距已从最初的 2 到 4 英寸晶圆到 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。


来源:半导体材料与工艺设备


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