氮化镓器件的开关频率：在下一代高频电路中使用氮化镓技术

技术分享GaN技术杂谈 – Renee Yawger 5月 10, 2023

氮化镓(GaN)器件是一种非常坚硬和在机械方面非常稳定的宽带隙半导体材料，用于生产功率器件、射频元件和发光二极管 (LED)。其开关频率远高于硅器件，使电力电子设计人员能够利用氮化镓器件创建更小、更高效、性能更高的系统，这是以前采用硅技术难以实现。

氮化镓与硅器件的开关频率的比较

由于氮化镓器件具有高载流子迁移率、低导通电阻和低寄生电容等优异材料特性，因此它可以在比硅器件更高的频率下工作。这些特性让它比硅器件的开关快100倍和具有更高的效率。

硅器件的开关频率通常限制在高达几百千赫兹，而氮化镓器件可以在几兆赫兹，甚或几十兆赫兹的开关频率下工作。

氮化镓器件的高开关频率在电力电子和音频放大器等领域中特别有利。在电力电子领域，高开关频率可以缩小电路中的元件的尺寸和减轻其重量，同时还可以提高效率。在音频放大器中，高开关频率可以减少失真和噪声，从而提升音质。

氮化镓器件的更高开关频率，对于需要高效率和高性能的高频应用来说特别有用。氮化镓器件开关快，可以降低开关损耗，从而提高效率和减少产生热量。更高的频率还可以实现更小、更轻的无源元件，例如电容器和电感器，从而可以实现更紧凑和具有更高功率密度的设计。

与硅器件相比，由于氮化镓器件具有更高的开关频率，因此在一些应用中具有显着优势，例如：

电力电子应用：
在电力电子应用中，例如DC/DC转换器、AC/DC转换器和无线电源，氮化镓器件的高开关频率有助于缩小电路中元件的尺寸和减轻其重量，同时提高效率。
电机驱动器：
在电机驱动应用例如机器人、无人机、汽车和工业机械的电机，高开关频率可以实现更高的功率密度、更高的效率、更高的性能和降低EMI。这些优势可以使基于氮化镓器件的电机驱动系统要比基于硅器件的系统更紧凑、更可靠和更具成本效益。
飞行时间/激光雷达：
在自动驾驶汽车、无人机和机器人等激光雷达应用中，氮化镓器件的高开关频率特性可提高分辨率、看得更远、实现更快速度的扫描、缩小系统的尺寸和减轻其重量。
音频放大器：
在音频应用中，氮化镓器件的高开关频率有助于减少失真和噪声，从而实现更优越的音质。这使得氮化镓器件特别适合用于以其效率和高质量音频而闻名的D类音频放大器。
LED照明：
氮化镓器件的高开关频率还可用于LED照明应用，有助于缩小电源供电系统的尺寸和减轻其重量，同时提高效率。

氮化镓器件的高开关频率可用于克服多项设计挑战。这里有一些范例：

尺寸更小：电力电子设计的主要挑战之一是尺寸方面的限制。利用氮化镓器件的高开关频率，设计人员可以缩小电感器和电容器等无源元件的尺寸，从而实现更小、更紧凑的设计，这对于空间和重量受限的应用中特别有用，例如电动汽车、卫星、消费电子产品，以及电动汽车、机器人和无人机的电机驱动器。
更高的效率：高开关频率可以降低电力电子系统中的开关损耗，从而提高效率。这可以延长便携式设备的电池寿命并降低固定系统的能耗。在数据中心等能源成本可以很高的应用中，使用基于氮化镓的电力电子器件可以大幅节省能源。
更好的热管理：氮化镓器件的高开关频率可实现更快的开关速度，从而减少器件处于高电流状态的时间。这会减少热量产生，从而更容易管理散热。此外，氮化镓器件的高效率可以首先减少需要散发的热量，从而进一步简化热管理。
降低EMI：高频开关会产生显着的电磁干扰(EMI)，这对电力电子系统极具挑战。然而，氮化镓器件开关快，可以降低EMI水平，这是由于更低的电压和減少了的电流过冲，从而可以更容易控制EMI水平。

如需了解更多信息或开展基于氮化镓器件的高频设计，请与EPC团队联系。