氮化镓 (GaN) 是一种宽带隙半导体，其在多种电力电子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。
