【導讀】氮化镓 (GaN) 半導體在 20 世紀 90 年代初首次作為高亮度藍色發光二極管 (LED) 投tou入ru商shang業ye應ying用yong
，隨sui後hou成cheng為wei藍lan光guang光guang盤pan播bo放fang器qi的de核he心xin技ji術shu。自zi此ci以yi後hou雖sui已yi取qu得de長chang足zu進jin步bu，但dan在zai將jiang近jin二er十shi年nian後hou
，該gai技ji術shu才cai因yin其qi高gao能neng效xiao特te性xing而er在zai場chang效xiao應ying晶jing體ti管guan (FET) 上實現商業可行性。

氮化镓 (GaN) 半導體在 20 世紀 90 年代初首次作為高亮度藍色發光二極管 (LED) 投tou入ru商shang業ye應ying用yong，隨sui後hou成cheng為wei藍lan光guang光guang盤pan播bo放fang器qi的de核he心xin技ji術shu。自zi此ci以yi後hou雖sui已yi取qu得de長chang足zu進jin步bu
，但dan在zai將jiang近jin二er十shi年nian後hou，該gai技ji術shu才cai因yin其qi高gao能neng效xiao特te性xing而er在zai場chang效xiao應ying晶jing體ti管guan (FET) 上實現商業可行性。

氮化镓目前是半導體行業增長最快的細分市場之一
，複合年增長率估計在 25% 至 50% 之間，其驅動力來自對能效更高設備的需求
，以期實現可持續發展和電氣化目標。

與矽晶體管相比，氮化镓晶體管可以設計出體積更小
、效率更高的器件。氮化镓最初用於高功率微波放大器係統，由於氮化镓製造的規模經濟性和製造小型
、功率更大放大器的能力，其應用範圍不斷擴大，形成了一個數十億美元的設備市場
，涵蓋消費、工業和軍事應用領域。

人們普遍認為矽 MOSFET 已達到其在電力電子領域的理論極限，而氮化镓 FET 在進一步提高性能方麵仍有巨大潛力。氮化镓半導體最常使用碳化矽 (SiC) zuoweichendi，qicishigengjingjideguihuoxingnengzuihaodanzuiangguidejingangshi。yuguijiqijianxiangbi，danhuajiaqijiandegongzuowendugenggao，qiedianziqianyilvhesudugenggao
，fanxianghuifudianhegengdihuoweiling。

氮化镓功率半導體的功率密度約為砷化镓功率放大器半導體的五倍。與砷化镓和側向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 等替代品相比，氮化镓半導體的功率效率達 80% 或更高，可提供更出色的功率、帶寬和效率。目前
，該技術已被廣泛應用於各種領域，從快速充電電源適配器到納入汽車高級駕駛輔助係統 (ADAS) 的光探測和測距 (LiDAR) 設備。

數shu據ju中zhong心xin是shi基ji於yu氮dan化hua镓jia的de器qi件jian的de另ling一yi個ge新xin興xing市shi場chang
，這zhe些xie器qi件jian可ke以yi滿man足zu日ri益yi增zeng長chang的de功gong耗hao和he冷leng卻que要yao求qiu，從cong而er降jiang低di成cheng本ben，並bing有you助zhu於yu解jie決jue運yun營ying商shang在zai監jian管guan和he政zheng治zhi層ceng麵mian麵mian臨lin的de日ri益yi增zeng多duo的de環huan境jing糾jiu紛fen。

半導體製造商和市場研究公司還預測
，從更高效的電池到電池牽引逆變器，電動汽車的低壓和高壓應用市場將不斷增長。

迄今為止，這一領域一直是碳化矽器件占據主導地位
，與氮化镓一樣，碳化矽器件被歸類為寬帶隙 (WBG) 半導體，具有高電子遷移率——能夠讓電力電子元件比矽基元件更小、更快、更可靠、更高效。氮化镓的帶隙為 3.4 eV
，而碳化矽的帶隙為 2.2 eV，碳化矽的帶隙為 1.12 eV。

與矽相比，氮化镓和碳化矽功率半導體的工作頻率更高、開關速度更快、chuandaodianzugengdi。tanhuaguiqijiankeyizaigenggaodedianyaxiagongzuo
，erdanhuajiaqijianzenengyigengdidenengliangtigonggengkuaidekaiguansudu，congernenggourangshejirenyuanjianxiaochicunhezhongliang。tanhuaguikezhichigaoda 1,200 伏的電壓，而氮化镓通常被認為更適合最高 650 伏的電壓，盡管最近推出了更高電壓的器件。

與砷化镓和其他半導體相比，氮化镓可提供約 10 倍的頻率範圍功率（圖 1）。

圖 1：微波頻率範圍電力電子器件之比較。（來源：Analog Devices, Inc.）

設計考慮因素

據估計，全球消耗的電能中有 70% 或以上是被電力電子設備消耗的。依托氮化镓的 WBG 特性，設計人員可以利用其更高的功率密度、出色的效率和超快的開關速度
，打造出更小的功率電子係統。

該技術為電力電子
、汽車、太陽能存儲和數據中心等多個市場帶來了創新。氮化镓器件具有很強的抗輻射能力，非常適合新興的軍事和航空航天應用。

youxiedianzishejirenyuankenengyouyuduicailiaochengbendewujieerfangqishiyongdanhuajiagonglvqijian。suirandanhuajiachendidezhizaochengbenzuichuyuangaoyuguichendi，danzheyichajuyidadasuoxiao，erqiebutongchendideshiyongnenggourangshejirenyuanzaichengbenhexingnengzhijianzhaodaozuijiapinghengdian。

矽gui基ji氮dan化hua镓jia為wei設she計ji人ren員yuan提ti供gong了le最zui廣guang闊kuo的de市shi場chang潛qian力li，在zai成cheng本ben和he性xing能neng之zhi間jian實shi現xian了le最zui佳jia平ping衡heng。不bu過guo，有you了le矽gui基ji氮dan化hua镓jia和he金jin剛gang石shi基ji氮dan化hua镓jia這zhe兩liang種zhong選xuan擇ze，產chan品pin設she計ji人ren員yuan可ke以yi選xuan擇ze最zui合he適shi的de襯chen底di，以yi滿man足zu其qi組zu織zhi和he客ke戶hu對dui性xing價jia比bi的de需xu求qiu。

由於氮化镓的開關速率非常高，設計人員需要特別注意電磁幹擾 (EMI)，以及如何在電源回路布局中減輕這種幹擾。有源柵極驅動器對防止電壓過衝至關重要，可減少開關波形產生的電磁幹擾。

另ling一yi個ge關guan鍵jian的de設she計ji問wen題ti是shi可ke能neng導dao致zhi誤wu觸chu發fa的de寄ji生sheng電dian感gan和he電dian容rong。性xing能neng優you勢shi的de最zui大da化hua取qu決jue於yu橫heng向xiang和he縱zong向xiang電dian源yuan回hui路lu的de最zui佳jia布bu局ju，以yi及ji驅qu動dong器qi速su度du與yu設she備bei速su度du的de匹pi配pei。

設計人員還必須優化熱管理，防止過熱影響性能和可靠性。應根據封裝在減少電感和散熱方麵的能力對封裝進行評估。

Analog Devices 推出氮化镓功率放大器

電子係統需要在能源所供電壓和電路所需供電電壓之間進行轉換。首屈一指的半導體公司 Analog Devices, Inc. (ADI) 一(yi)直(zhi)致(zhi)力(li)於(yu)提(ti)供(gong)業(ye)界(jie)領(ling)先(xian)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)氮(dan)化(hua)镓(jia)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)和(he)技(ji)術(shu)支(zhi)持(chi)，能(neng)夠(gou)讓(rang)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)實(shi)現(xian)最(zui)高(gao)性(xing)能(neng)目(mu)標(biao)
，並(bing)更(geng)快(kuai)地(di)將(jiang)其(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)推(tui)向(xiang)市(shi)場(chang)。

柵zha極ji驅qu動dong器qi和he降jiang壓ya控kong製zhi器qi對dui於yu最zui大da限xian度du地di發fa揮hui氮dan化hua镓jia功gong率lv器qi件jian的de優you勢shi至zhi關guan重zhong要yao。半ban橋qiao氮dan化hua镓jia驅qu動dong器qi可ke提ti高gao電dian源yuan係xi統tong的de開kai關guan性xing能neng和he整zheng體ti效xiao率lv。DC-DC 降壓轉換器可將較高的輸入電壓轉換為較低的輸出電壓。

ADI 提供的 LT8418 是一款 100 V 半橋 GaN 驅動器，集成了頂部和底部驅動器級
、驅動器邏輯控製、保護和自舉開關（圖 2）。它可配置為同步半橋降壓或升壓拓撲結構。分路柵極驅動器可調整氮化镓場效應晶體管的導通和關斷壓擺率
，從而優化 EMI 性能。

圖 2：ADI 基於 GAN 的 LT8418 開關 DC/DC 轉換器原理圖。（來源：Analog Devices, Inc.）

ADI GaN 驅動器輸入和輸出具有默認低電平狀態
，以防止 GaN FET 誤導通。憑借 10 ns 的快速傳播延遲以及頂部和底部通道之間 1.5 ns 的延遲匹配，LT8418 適用於高頻 DC/DC 轉換器
、電機驅動器、D 類音頻放大器、數據中心電源以及消費、工業和汽車市場的各種電源應用。

LTC7890 和 LTC7891（圖 3）分別是高性能、雙通道和單通道降壓型 DC 到 DC 開關穩壓器控製器

，用於從最高 100 V 的輸入電壓驅動 N 溝道同步 GaN FET 功率級。這些控製器旨在解決設計人員在使用氮化镓場效應晶體管時麵臨的諸多挑戰，無需矽 MOSFET 解決方案通常使用的保護二極管或其他額外外部元件
，從而簡化了應用設計。

圖 3：ADI 的 LTC7891 降壓控製器。（來源：Analog Devices, Inc.）

每個控製器都能讓設計人員精確調節 4 V 至 5.5 V 的柵極驅動電壓，以優化性能，並允許使用不同的 GaN FET 和邏輯電平 MOSFET。內部智能自舉開關可防止 BOOSTx 引腳在死區時間向 SWx 引腳高壓側驅動器電源過度充電，從而保護頂部 GaN FET 的柵極。

這(zhe)兩(liang)個(ge)元(yuan)件(jian)都(dou)在(zai)內(nei)部(bu)優(you)化(hua)了(le)兩(liang)個(ge)開(kai)關(guan)邊(bian)沿(yan)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)時(shi)序(xu)，使(shi)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)接(jie)近(jin)於(yu)零(ling)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)了(le)效(xiao)率(lv)，實(shi)現(xian)了(le)高(gao)頻(pin)率(lv)運(yun)行(xing)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)還(hai)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)外(wai)部(bu)電(dian)阻(zu)器(qi)調(tiao)整(zheng)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)。這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)采(cai)用(yong)方(fang)形(xing)扁(bian)平(ping)無(wu)引(yin)腳(jiao) (QFN) 封裝，帶可潤濕側翼。原理圖展示了采用 40 引腳、6 mm x 6 mm LTC7890（圖 4）和 28 引腳
、4 mm x 5 mm LTC7891（圖 5）配置的典型應用電路。

圖 4：使用 ADI 的 LTC7890 的典型應用電路原理圖。（來源：Analog Devices, Inc.）

圖 5：使用 ADI 28 引腳 LTC7891 的降壓穩壓器原理圖。（來源：Analog Devices, Inc.）

設計人員還可利用 ADI 電源管理工具組合實現電源性能目標並優化電路板。該工具套裝包括可變降壓電阻計算器、信號鏈功率配置器和基於 Windows 的開發環境。

結語

氮化镓是一種變革性的半導體材料
，用於生產具有高功率密度
、超快開關速度和卓越能效的元件。產品設計人員可以利用 ADI 的 GaN FET 柵極驅動器產品
，以更少的元件打造出更可靠、更高效的係統，從而實現更小的係統尺寸和重量。

(作者：Pete Bartolik)

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

貿澤讚助的DS PENSKE電動方程式賽車隊蓄勢待發 即將在電動方程式世界錦標賽上海站閃亮登場 

專訪晶合集成董事長蔡國智：國產化的兩條可行路徑

單板機如何擴展工業自動化的覆蓋範圍

為什麼我的電源會出現振鈴和過熱
？

精密數字萬用表加緊應對現代電子設計挑戰