一文详解GaN氮化镓电源技术

GaN氮化镓是什么?

第一代半导体材料：主要指Si、Ge元素为主的半导体，它们是半导体分立器件、集成电路和太阳能电池的基础材料。

第二代半导体材料：主要指砷化镓、锑化铟等化合物半导体材料，砷化镓拥有一些比硅更好的电子特性，可以用在高于250GHz的场合，并且砷化镓比同样的硅基器件更适合运用在高功率的场合，可以运用在卫星通讯、雷达系统等地方。

第三代半导体材料：主要指氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)及金刚石等宽禁带物质。

禁带宽度代表了器件的耐高压能力，跟前两代相比，第三代半导体高近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。在民用商业领域，氮化镓(GaN)可用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等，而碳化硅(SiC)主要用于电动汽车、消费电子、新能源、轨道交通等。

氮化镓(GaN)技术自1990年起就常被用在发光二极管中，但成本昂贵。从制造工艺上来说，氮化镓没有液态，不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，需要纯靠气体反应合成。氮气性质非常稳定，镓又是非常稀有的金属，两者反应时间长，速度慢，反应产生的副产物多。生产氮化镓对设备要求苛刻，技术复杂，产能低，众多因素叠加影响导致氮化镓材料很贵。

氮化镓电源技术

开关电源的工作原理就是将交流电进行滤波，之后将交流转换为直流，再通过调整电流频率等方式，将交流电变为直流电，整个电路采用开关控制功率大小。将氮化镓GaN用做开关与Mos管等功率器件，是电源的改进点，可以使用体积更小的变压器和电容等器件。

优点：功率特性比硅高900倍。

特性：禁带宽度(3倍)、饱和电子漂移速度(2倍)、电子迁移率(1.5倍)、击穿场强(11倍)。

器件优势：耐高温(>300℃)、开关快(20倍)、电阻低(1000倍)、耐高压。

系统优势：易散热、体积小、损耗小、功率大。

缺点：贵。

目前氮化镓GaN的主流应用是在手持类消费类电子领域，在5G、汽车、工业、通信、光伏、智能化等众多领域还有待挖掘。手机充电器因为向着越来越高的功率发展，如果基于硅基材料，体积会做得很大。采用氮化镓电源技术可以做得很小，并且多口充电，解决手机、笔记本电脑等多种设备的充电需求。

相比于Si MOSFET和IGBT器件，氮化镓GaN器件的快速开关时间、低导通电阻、较低的门极电容，这些特性可以实现更快的导通和关断，同时减少栅极驱动损耗。较低的单位输出电容(典型的GaN 器件的单位输出电荷为5nC-Ω，而传统的Si器件为25nC-Ω)，这使设计人员能够在不增加开关损耗的同时实现较高的开关频率，从而缩小电源系统中磁性元件的尺寸、重量和数量。更低的损耗等同于更高效的电源分布，减少了发热并精简了电源的冷却方案。

从电路的本质上说，要使用氮化镓GaN 电源技术不是简单的加减法，也不是换个器件。而是如何减少PCB设计尺寸，减少外围电路元器件，降低设计难度。氮化镓带来了效率和密度的改变，器件设计的拓扑结构也要一起变，控制IC、PCB走线，如何降低电磁干扰、纹波干扰等都需要调整。工程师对于氮化镓GaN器件的设计和调试，还需要经验积累的过程。如何平衡工艺、成本、可靠性的关系，都需要电源企业进一步探索和考量。

对于电源体积要求不高的，成本低、传统成熟的工业制造可能更适合你。要做好一个理想的氮化镓电源方案，除了功率器件做好，驱动控制IC的技术和电源方案也非常重要。氮化镓方案相比硅基方案，需要解决如氮化镓器件栅极耐压、高频所带来的可靠性、EMI的问题。还要发挥氮化镓在传统拓扑结构中充分实现效率高、体积小的特性。长远来看，氮化镓GaN在电源等市场有着广阔的前景。

审核编辑：汤梓红