下一代电力电子用氮化镓器件

与硅相比氮化镓在许多汽车和其它功率应用中具有内在优势。

荷兰芯片制造商Nexperia赞助的最新工业行业活动的参与者表示，汽车、消费品和航空航天应用中的功率转换等应用正在利用氮化镓（GaN）技术的优势。例如，Kubos半导体公司正在开发一种称为GaN立方的新材料。Kubos首席执行官Caroline O'Brien说：“这是立方形式的氮化镓，我们不仅可以在150毫米及以上的大规模晶圆上生产，而且还可以扩展到更大的晶圆尺寸，并可以无缝插入现有的生产线。”。

其它人正在努力扩大宽带隙（WBG）半导体在电源管理方面的应用范围。英国电气化专业公司里卡多（Ricardo）公司正在使用氮化镓和碳化硅技术扩大其功率能力。里卡多的总工程师Temoc Rodriguez指出，特斯拉是第一家使用碳化硅代替绝缘栅双极晶体管（IGBT）的汽车制造商，这引发了更多使用WBG材料的趋势，以提高功率效率，同时减少功率转换器的尺寸和重量。

Hexagem首席执行官MikaelBjörk介绍了这家瑞典公司开发的GaN-on-Silicon技术，旨在降低成本，同时增加未来应用中的扩展优势。Björk说：“我们正在考虑对额定电压提出更高的要求。”。

活动赞助商Nexperia指出，每一种新一代GaN技术都会在性能上持续稳步提升，这一提升可能会超过硅目前的成本优势。支持者认为，硅技术的进步是微乎其微的。

应用领域

随着降低二氧化碳排放的压力增大，从汽车到电信等行业正被推动投资于更高效的功率转换和电气化。硅基功率半导体技术（如IGBT）在工作频率和速度方面存在基本限制。它们还表现出较差的高温和低电流性能。高压硅场效应晶体管的频率和高温性能同样受到限制。这些限制促使更多的应用设计者考虑WBG半导体。

Kubos Semiconductor的O'Brien说：“在应用市场，随着设计空间的缩小和效率的提高，我认为GaN能够实现以前未被认可或广泛应用的应用，例如小型基站。对于较小的系统设计来说，这是一个真正的机会。”

关键特性是开关的频率特性，特别是在高达5–10 kW的DC/DC转换器应用中。Rodriquez补充道：“可以考虑在电信和能源领域，同时也在消费电子领域应用该技术。以DC/DC转换器为中心的大量应用可提高效率并节约能源。”

除了更高的电压，Hexagem的Björk在优化GaN器件生产以降低成本的同时，强调了晶圆的可扩展性。Björk预测：“目前，150毫米晶圆是市场的关注点，但未来[生产]可以扩展到200毫米晶圆。而且，可能会有300毫米晶圆的尝试。”。

GaN-on-Si技术是应用最广泛的技术之一，在器件开发方面没有很好的声誉。“氮化镓和硅具有非常不同的晶格常数，所以它们不匹配，”Björk说：“在将GaN材料附着在硅上之前，你必须生长出相当复杂的不同层。当这样做时，会产生许多有害的缺陷、位错、耗损和过早破坏。

“另一个问题是GaN和硅之间的热膨胀系数不匹配，”他补充道：“当将其生长环境加热到到约1000˚C，然后冷却这两种材料时，它们会以不同的速率收缩，最终会破坏结构。”

Nexperia的GaN应用主管Jim Honea说：“与此同时，从车载充电器和DC/DC转换器到牵引和辅助逆变器等汽车应用都在利用GaN技术。电动汽车用大型电池的开发创造了许多过去没有人想象过的应用。”。

此外，Nexperia的DilderChowdhury指出，低Qrr或反向恢复电荷有助于简化滤波器设计，从而提高开关性能。GaN功率晶体管也可通过共用栅极驱动电路并联使用。高电压和开关频率是最大的挑战，尤其是对硅器件工程师而言。

随着电动汽车制造商寻求提高行驶里程，氮化镓功率集成电路（GaN power IC）作为一种在提高效率的同时减小尺寸和重量的方法，正在获得更多重视。

GaN可用于设计更小、更轻的电力电子系统，与硅基系统相比，具有相当的能量损耗。零反向恢复，减少了电池充电器和牵引逆变器的开关损耗，以及更高的频率和更快的开关速率，这些都是好处之一。此外，降低开关的开通和关断损耗有助于减少电动汽车充电器和逆变器等应用中电容器、电感器和变压器的重量和体积。

支持者们断言，WBG技术为功率转换设计师提供了提高效率和功率密度的新方法。与硅器件一样，单GaN器件的电流处理能力仍有其上限。实现GaN器件并联是一种常见的方法。GaN的功率可以进行缩放，Honea说：“通过将氮化镓晶体管并联，我们可以扩大功率。然而，如果将它们并联，谐振的可能性会成倍增加，必须确保不会激发和放大它们。”