【技术】氮化镓开关频率：在下一代高频电路中使用氮化镓技术

时间： 2023-06-14 来源：EPC官网

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氮化镓（GaN）是一种非常坚硬、机械稳定的宽带隙半导体，用于生产功率器件以及射频元件和发光二极管（LED）。氮化镓的开关频率大大高于硅，能够让电力电子设计人员创造出更小、更高效、性能更高的系统，而这在以前的硅技术中是很难实现的。本文中EPC将为大家介绍在氮化镓开关频率及其在高频电路应用中的益处。

氮化镓开关频率与硅开关频率的比较

与硅相比，氮化镓器件可以在更高的频率下工作，这是由于其优异的材料特性，例如高载流子迁移率、低导通电阻和低寄生电容。这些特性使氮化镓器件的开关速度比硅器件快 100 倍，效率也更高。

硅器件通常限于几百千赫的开关频率，而氮化镓器件可以在几兆赫甚至几十兆赫的开关频率下工作。

氮化镓器件的高开关频率在电力电子和音频放大器等应用中特别有优势。在电力电子领域，高开关频率可以减小电路中使用的元件的大小和重量，同时提高效率。在音频放大器中，高开关频率可以减小失真、降低噪音，从而提高音频质量。

氮化镓在高频电路应用中的益处

氮化镓的开关频率有所提高，因此尤其适用于需要高效率和高性能的高频应用。氮化镓的高开关速度可以降低开关损耗，从而提高效率并减少产热。更高的频率还让更小和更轻的无源元件——例如电容器和电感器——成为可能，这样，人们就能拿出更紧凑和更高功率密度的设计。

与硅器件相比，氮化镓的开关频率有所提高。其可以提供显著优势的一些应用包括：

1、电力电子应用：在诸如DC-DC转换器、AC-DC转换器和无线电源等电力电子应用中，GaN 的高开关频率有助于减小电路中所用元件的尺寸和重量，同时还能提高效率。

2、电机驱动应用：在用于机器人、无人机、汽车和工业机械等的电机驱动应用中，高开关频率可实现更高的功率密度、更高的效率、更高的性能和更低的电磁干扰（EMI）。这些优点可以使基于氮化镓的电机驱动系统比基于硅的系统更紧凑、更可靠且更具成本效益。

3、飞行时间（ToF）/雷达：在用于自动驾驶汽车、无人机和机器人等的激光雷达应用中，氮化镓的高开关频率提高了分辨率，增加了范围，实现了更快的扫描，并减小了系统的尺寸和重量。

4、音频放大器：在音频应用中，氮化镓的高开关频率有助于降低失真度、减弱噪声，从而获得更高的音频质量。这使得氮化镓特别适合D类音频放大器，而这类音频放大器以其效率和产生高质量音频的能力而闻名。

5、LED照明：氮化镓的高开关频率还可用于LED照明应用，它有助于减小电源的尺寸和重量，同时提高效率。

利用氮化镓的开关频率克服设计难题

氮化镓的高开关频率可用于克服若干设计挑战。这里举几个例子：

1、更小的尺寸：电力电子设计的主要挑战之一是尺寸限制。利用氮化镓的高开关频率，设计人员可以减小电感器和电容器等无源元件的尺寸。这可以产生更小和更紧凑的设计，而这种设计特别适用于对空间和重量有所限制的应用，如电动汽车、卫星、消费电子产品以及用于电动交通、机器人和无人机的电机驱动器。

2、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，降低固定系统的能耗。在数据中心等能源成本可能很高的应用中，使用基于氮化镓的电力电子设备可以节省大量能源。

3、更好的热管理：氮化镓的高开关频率可以实现更快的开关，从而减少器件处于高电流状态的时间。这样可以减少产热，从而让对热性能的管理变得更容易。此外，氮化镓的高效率可以减少需要在最初阶段就被散掉的热量，从而进一步简化热管理。

4、减少电磁干扰：高频开关会产生严重的电磁干扰（EMI），这在电力电子系统中很难管理。然而，由于降低了电压和电流过冲，氮化镓即便有快速开关能力，也可以将EMI控制在较低水平。这可以使其更容易满足针对EMI制定的法规要求。

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