氮化鎵元件的開關頻率：在下一代高頻電路中使用氮化鎵技術

技術分享雜談GaN技術 – Renee Yawger 五月 10, 2023

氮化鎵(GaN)元件是一種非常堅硬和在機械方面非常穩定的寬帶隙半導體材料，用于生產功率元件、射頻元件和發光二極體 (LED)。其開關頻率遠高於矽元件，使電力電子設計人員能够利用氮化鎵元件創建更小、更高效、性能更高的系統，這是以前採用矽技術難以實現。

氮化鎵與矽元件的開關頻率的比較

由於氮化鎵元件具有高載流子遷移率、低導通電阻和低寄生電容等優異材料特性，因此它可以在比矽元件更高的頻率下工作。這些特性讓它比矽元件的開關快100倍和具有更高的效率。

矽元件的開關頻率通常限制在高達幾百千赫茲，而氮化鎵元件可以在幾兆赫茲，甚或幾十兆赫茲的開關頻率下工作。

氮化鎵元件的高開關頻率在電力電子和音頻放大器等領域中特別有利。在電力電子領域，高開關頻率可以縮小電路中的元件的尺寸和減輕其重量，同時還可以提高效率。在音頻放大器中，高開關頻率可以減少失真和噪聲，從而提升音質。

氮化鎵元件的更高開關頻率，對於需要高效率和高性能的高頻應用來說特別有用。氮化鎵元件開關快，可以降低開關損耗，從而提高效率和減少產生熱量。更高的頻率還可以實現更小、更輕的無源元件，例如電容器和電感器，從而可以實現更緊凑和具有更高功率密度的設計。

與矽元件相比，由於氮化鎵元件具有更高的開關頻率，因此在一些應用中具有顯著優勢，例如：

電力電子應用：
在電力電子應用中，例如DC/DC轉換器、AC/DC轉換器和無綫電源，氮化鎵元件的高開關頻率有助於縮小電路中元件的尺寸和減輕其重量，同時提高效率。
馬達控制器：
在馬達控制應用例如機器人、無人機、汽車和工業機械的馬達，高開關頻率可以實現更高的功率密度、更高的效率、更高的性能和降低EMI。這些優勢可以使基於氮化鎵元件的馬達控制系統要比基於矽元件的系統更緊凑、更可靠和更具成本效益。
飛行時間/光達：
在自動駕駛汽車、無人機和機器人等光達應用中，氮化鎵元件的高開關頻率特性可提高解析度、看得更遠、實現更快速度的掃描、縮小系統的尺寸和減輕其重量。
LED照明：
在音頻應用中，氮化鎵元件的高開關頻率有助於減少失真和噪聲，從而實現更優越的音質。這使得氮化鎵元件特別適合用於以其效率和高質量音頻而聞名的D類音頻放大器。
LED照明：
氮化鎵元件的高開關頻率還可用於LED照明應用，有助於縮小電源供電系統的尺寸和減輕其重量，同時提高效率。

氮化鎵元件的高開關頻率可用於克服多項設計挑戰。這裏有一些例子：

尺寸更小：電力電子設計的主要挑戰之一是尺寸方面的限制。利用氮化鎵元件的高開關頻率，設計人員可以縮小電感器和電容器等無源元件的尺寸，從而實現更小、更緊凑的設計，這對於空間和重量受限的應用中特別有用，例如電動汽車、衛星、消費電子產品，以及電動汽車、機器人和無人機的馬達控制器。
更高的效率：高開關頻率可以降低電力電子系統中的開關損耗，從而提高效率。這可以延長便携式設備的電池壽命和降低固定系統的能耗。在數據中心等能源成本可以很高的應用中，使用基於氮化鎵的電力電子元件可以大幅節省能源。
更好的熱管理：氮化鎵元件的高開關頻率可實現更快的開關速度，從而減少元件處於高電流狀態的時間。這會減少熱量產生，從而更容易管理散熱。此外，氮化鎵元件的高效率可以首先減少需要散發的熱量，從而進一步簡化熱管理。
降低EMI：高頻開關會產生顯著的電磁干擾(EMI)，這對電力電子系統極具挑戰。然而，氮化鎵元件開關快，可以降低EMI水平，這是由於更低的電壓和減少了的電流過衝，從而可以更容易控制EMI水平。

如需瞭解更多信息或開展基於氮化鎵元件的高頻設計，請與EPC團隊聯繫。