[经验]

为什么氮化镓比硅更好？

2023-6-15 15:53:16

919 氮化镓

氮化镓(GaN)是一种“宽禁带”(WBG)材料。禁带，是指电子从原子核轨道上脱离出来所需要的能量，氮化镓的禁带宽度为 3.4ev，是硅的 3 倍多，所以说氮化镓拥有宽禁带特性（WBG）。

硅的禁带宽度为1.1 eV，而氮化镓的禁带宽度为3.4 eV。由于宽禁带材料具备高电场强度，耗尽区窄短，从而可以开发出载流子浓度非常高的器件结构。例如，一个典型的650V横向氮化镓晶体管，可以支持超过800V的电压，其漏极漂移区为10-20μm，或大约40-80V/μm。这大大高于硅20V/μm的理论极限。然而，氮化镓器件目前仍然远远低于约300V/µm的禁带宽度极限，这为未来的优化和改进，留下了巨大的空间。

在器件层面，根据实际情况而言，归一化导通电阻（RDS(ON)）和栅极电荷（QG）乘积得出的优值系数，氮化镓比硅好 5 倍到 20 倍。通过采用更小的晶体管和更短的电流路径，氮化镓充电器将能实现了超低的电阻和电容，开关速度可提高一百倍。

为了充分利用氮化镓功率芯片的能力，电路的其他部分也必须在更高的频率下有效运行。近年加入控制芯片之后，氮化镓充电器的开关频率，已经从 65-100kHz，提高到 1MHz 以上。新的控制器正在开发中。微控制器和数字信号处理器（DSP），也可以用来实现目前软开关电路拓扑结构，而目前广泛采用的、为1-2 MHz范围优化的磁性材料，已经可被使用了。

氮化镓功率芯片，在半桥拓扑结构中结合了频率、密度和效率优势。如有源钳位反激式、图腾柱PFC和LLC。随着从硬开关拓扑结构到软开关拓扑结构的改变，初级FET的一般损耗方程可以最小化，从而提升至10倍的高频率。

氮化镓功率芯片前所未有的性能表现，将成为第二次电力电子学革命的催化剂。