什么是使用GaN(氮化镓)的AC适配器

这是介绍搭载被称为下一代半导体的GaN(氮化镓)IC的AC适配器和开关电源的页面。UNIFIVE开发的USB-PD适配器中已采用。

新一代半导体, 搭载GaN的AC适配器是什么

什么是GaN?

　近年来在大型家电卖场也经常能看到搭载GaN PD的USB AC适配器。所谓“GaN”, 是指氮化镓, 是在功率电子领域带来革命性变化的下一代热门材料。数十年来, 以硅为基础的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)承担着将能量转换为电力的作用, 已成为现代日常生活中不可或缺的器件。然而, 对这种传统硅MOSFET的改良以及电力效率的提升存在理论极限, 以当今技术水平而言, 已逐渐接近难以再进一步改善的程度。

　此外, 近年来对功率密度和电力效率的要求不断提高, 以发达国家为中心, 为遏制环境污染开始实施各种法规。在这一趋势下, 硅材料在应对重视环保的潮流方面存在一定局限。相比之下, 氮化镓具备能够满足提升电力系统效率、性能及功率密度需求的特性, 因此正作为取代硅的下一代功率开关技术核心而逐渐普及。

那么, 什么是氮化镓?

　氮化镓在自然界中并不以单质形式存在。通常在从铝土矿中冶炼铝或加工闪锌矿生产锌时作为副产品获得, 因此在提取和精炼过程中产生的二氧化碳排放量非常低。镓的年产量超过300吨, 全球储量估计超过100万吨。由于是在加工过程中作为副产品产生, 每公斤价格约300美元, 相比每公斤约6万美元的黄金, 其价格仅为后者的1/200。

此外, 除了环保优势之外, 它还是一种III-V族直接带隙半导体材料, 适用于在高温下也能正常工作的高功率晶体管。

GaN的历史

　纯镓的熔点仅为30℃, 在人体体温下会在手掌中融化。氮化镓首次被合成又经过了约65年, 直到20世纪60年代之前, 仍无法生长氮化镓单晶薄膜。作为化合物的GaN熔点超过1600℃, 比硅的熔点高出约200℃。

　1972年, 掺镁的GaN系LED问世, 这是划时代的事件。虽然最初亮度尚不足以商业化应用, 但它是首个能够发出蓝紫色光的LED。

　自1990年代以来, 氮化镓被广泛应用于发光二极管(LED)。氮化镓可发出用于蓝光光盘读取的蓝光。此外, 氮化镓还被用于半导体功率器件、RF组件、激光器及光子学等领域。未来据称在传感器技术领域也将采用GaN。

　2006年, 通过有机金属气相沉积法(MOCVD), 在标准硅晶圆的AIN层上生长GaN薄膜, 开始制造增强型GaN晶体管(也称GaN FET)。AIN层作为基板与GaN之间的缓冲层。通过这一新方法, 氮化镓晶体管可以在与硅相同的现有工厂中, 以几乎相同的制造工艺生产。采用成熟工艺可实现与硅相当的低成本制造, 同时有助于降低引入高性能小型晶体管的门槛。进一步说明, 所有半导体材料都存在所谓的带隙, 指的是固体中电子态无法存在的能量范围。简单来说, 带隙决定了材料的导电能力。硅的带隙为1.12 eV, 而氮化镓为3.4 eV。更宽的带隙意味着氮化镓比硅MOSFET能够承受更高的电压和温度。

　凭借宽带隙特性, 氮化镓可应用于光电子高功率、高频器件。由于其可在远高于砷化镓(GaAs)晶体管的温度和电压下工作, 因此被认为是成像、传感等微波器件以及太赫兹(THz)器件功率放大器的理想选择。

GaN的优势

　作为能够应用于光电子高功率、高频器件的材料, 将GaN应用于AC适配器会带来哪些优势呢? 下面介绍将GaN用于AC适配器的优点。

　通常GaN常与硅材料进行比较。当前主流的硅基MOSFET广泛用于AC/DC电源、DC/DC电源、电机控制设备等电力应用领域的电源开关, 功率范围从数十瓦到数百瓦乃至数千瓦, 并在封装、导通电阻RDS、额定电压、开关速度等方面持续改进。

　然而, 采用硅材料的半导体性能经过多年卓越的技术进步后已接近理论极限, 进一步改良空间有限。相比之下, 基于氮化镓的功率器件属于高电子迁移率晶体管, 具有比硅更高的临界电场强度。这意味着GaN相较于硅具有更高的电场强度, 并且在导通电阻和击穿电压相同的情况下, GaN器件体积更小。

　GaN FET具备实现低损耗、高效率所必需的极快开关速度和优异的反向恢复特性。目前, 额定600/650V的GaN FET已广泛进入市场。

　用于AC适配器的优势大致包括以下三点。

改善发热

　由于GaN材料带隙较宽, 其热导率高于硅。这一特性使GaN器件能够在更高温度下运行并实现更高效散热, 有助于保持AC适配器低温运行, 防止热损伤。

通过提高功率密度实现小型化

　由于开关频率和工作温度高于硅器件, 可缩小散热片尺寸, 甚至取消用于风冷的风扇并减少磁性元件体积。开关频率越高, 电源电路中使用的电感和电容尺寸也可进一步缩小。电子元件数量减少, 从而实现AC适配器整体尺寸的小型化。

降低噪音, 实现无线电力传输

　频率越高, 电机驱动应用中的噪音越低。此外, 更高频率还可实现更高功率的无线电力传输, 提高空间自由度, 并扩大发送与接收之间的空气间隙。目前该技术也正被研究用于电动汽车供电。

UNIFIVE开发的GaN AC适配器

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