什么是氮化镓半导体 氮化镓半导体在产品上的具体应用

 

目前，以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体技术在越来越多的场合获得了应用，随着规模上的不断扩张，原本价格上的劣势也在逐步减小，具体到应用层面。

在博世，碳化硅作为第三代半导体之一新兴技术，将投入研发与应用，博世新研发制造基地将研发和制造配备新一代碳化硅功率模块单元的电驱产品。但今天，我们先不谈碳化硅，我们来了解一下与碳化硅同为第三代半导体技术代表的氮化镓。它究竟是什么，能够带来多大的优势？这些问题，我将在接下来的文章总给大家一一作答。

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什么是氮化镓半导体

氮化镓是一种非常坚硬且在机械方面非常稳定的宽带隙半导体材料。它的化学式为GaN，是由镓和氮元素组成的化合物。氮化镓具有许多优异的物理和电学特性，使其成为许多高性能电子器件的理想选择。

氮化镓半导体具有以下特点：

1	更高的击穿强度
2	更快的开关
3	更高的热导率
4	更低的导通电阻

由于具有更高的击穿强度、更快的开关、更高的热导率和更低的导通电阻，氮化镓基功率器件明显比硅基器件更优越。

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氮化镓半导体的开关速度

氮化镓元件一个很大的优势在于它极快的开关速度，它的栅极电容和输出电容比硅基MOSFET小的多，同时由于没有体二极管pn结，因此在硬开关中，没有相关的反向恢复电荷。

这两个因素有助于消除死区时间并将PWM频率增加到可以用陶瓷电容器代替输入滤波器。在100和200 kHz之间的范围内，陶瓷电容器具有较低的串联阻抗、温度更稳定且更可靠，从而在给定的相同功耗和功率输出条件下，可实现更小、更轻的逆变器，从而可以更安静地运行。

图2和图3分别显示了传统逆变器和GaN逆变器组成的两种不同设置的输入电流、输入电压和输出电流的纹波。两种设置都以36 VDC电池电压和5 ARMS 相电流运行电动自行车的电机。

图2：带有 LC 输入滤波器的传统逆变器，PWM = 20 kHz、DT = 500 ns、L = 6 µH、C = 2 x 330 µF 电解电容器

由于输入电压和电流纹波相似，因此预期EMI相同。在基于氮化镓器件的100 kHz解决方案中，输出电流纹波降低，而电机的电流具有更好的正弦形状。

图3：没有输入滤波器、基于氮化镓器件的逆变器于PWM = 100 kHz、DT = 21 ns、C = 2 x 22 µF 陶瓷

除此以外，抛弃了传统硅基MOSFET的键合线的封装形式，消除了引线封装电感。在一些情况下用户可以得到非常干净的波形，这样就可以实现超低电感的电机运行、更高的位置精度、更低的电流纹波、更低的扭矩纹波和更低的可听噪声。

如果使用如此高的开关频率，对于传统的硅基功率器件来说热性能会是一个很大的挑战。不过由于GaN器件是双面冷却的。也就是说，如果我们将GaN FET（氮化镓场效应晶体管）的热阻至外壳值与采用最佳热封装的MOSFET（DirectFET）进行比较，eGaN器件比同类最佳的DirectFET好6倍，因为eGaN芯片可以通过PCB顶部和侧边散热。较低的热阻带来了令人难以置信的热性能。

例如一个小小的4mm2的芯片可以耗散6W的热量，温升只有24度，或每瓦4摄氏度。对于电机驱动，尺寸和成本非常重要，而效率则由电机主导。 因此，许多应用的关键目标是在尽可能小的体积内驱动最大的电流。

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氮化镓半导体在产品上的具体应用

氮化镓（GaN）半导体在汽车电子领域有着广泛的应用和联系。以下是其中一些关键的联系点：

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功率电子器件

GaN半导体具有优异的功率特性，可以实现高频率、高效率的电能转换。在汽车电子中，它们可以用于直流-直流（DC-DC）转换器、直流-交流（DC-AC）逆变器和电源管理系统等功率电子器件中。GaN半导体的高开关频率和低开关损耗使得它们能够提供更高的功率密度和更高的效率，从而帮助汽车电子系统更好地满足能源管理和电力传输的需求。

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电动汽车（EV）充电系统

GaN半导体的高功率特性使其成为电动汽车充电系统的理想选择。通过使用GaN功率转换器，可以实现高速充电和高效率的能量转换，从而缩短充电时间并提高充电效率。此外，GaN半导体还可以帮助实现更小型、轻量化的充电器设计，提升电动汽车的便携性和灵活性。

3

高亮度照明系统

GaN半导体在汽车前大灯、尾灯和车内照明系统中有着广泛的应用。由于GaN半导体具有优秀的光电特性，如高亮度、高工作温度和长寿命等，它们可以实现更明亮、更节能的车灯和照明系统。同时，GaN半导体还能够提供更精确的光控制，使得汽车照明系统更加智能化和可定制化。

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其他应用

GaN器件的目标应用是输入电压在24V到150V之间，通常是48V。一些典型的应用是无刷直流电机、伺服驱动器、电动自行车和电动滑板车、无人机，以及车载电机等等，因为在高端市场中，电机以及控制器必须非常小、非常轻。

 

 

 

在电机驱动领域，越来越多的公司开始尝试在氮化镓技术方面进行布局。

 

第三代半导体技术的出现，为下一代功率电子器件的发展指明了方向，更强性能，更小体积的各种产品也将应运而生，来到我们的生活之间，一个很直观的例子就是国内手机厂商越来越卷的快充技术，背景就是氮化镓技术的进步。在不远的将来，我们还会在生活中见到更多的使用了第三代半导体技术的产品，体验科技给生活带来的便利！

 

编辑：黄飞