使用GaN(氮化镓)的AC适配器是什么

这是介绍搭载有被称为下一代半导体的GaN(氮化镓)IC的AC适配器与开关电源的页面。已应用于Unifive开发的USB-PD适配器。

什么是搭载GaN的次世代半导体AC适配器？

什么是GaN？

最近在量贩店中也常能看到搭载GaN PD的USB AC适配器，其中的“GaN”是氮化镓，是为电力电子领域带来革新性变化的次世代材料。在几十年间，以硅为基础的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）一直承担着将能量转换为电力的角色，是现代日常生活中不可或缺的存在。然而，这种广泛使用的硅基MOSFET在改善和提高电力效率方面存在理论极限，且现代技术已接近其改进极限的水平。

此外，近年来对电力密度和效率的要求不断提高，以发达国家为中心，为了遏制环境污染，各种环境法规也日益严格。在这种趋势中，硅材料具有难以应对环保需求的成分。与之相比，氮化镓凭借其在电力系统效率、性能和电力密度方面的优势，正作为替代硅的次世代电力开关技术而受到关注。

那么，什么是氮化镓？

氮化镓在自然界中并不存在作为元素存在。它一般是在冶炼铝的铝土矿过程中或加工闪锌矿生产锌的过程中作为副产品得到，因此在提取和精制过程中的二氧化碳排放量非常少。氮化镓的年产量超过300吨，全球储量估计超过100万吨。由于其是加工过程中的副产品，其价格也较为低廉，每公斤约为300美元，与每公斤约为6万美元的黄金相比，其价格为后者的1/200。

除了环保优势外，氮化镓是一种Ⅲ-Ⅴ族直接跃迁型半导体，即使在高温条件下也能正常工作，适合用作高功率晶体管材料。

GaN的历史

纯镓的熔点仅为约30℃，在常温下可在手掌中融化。氮化镓首次成功合成则是在此后的约65年。而直到20世纪60年代，氮化镓单晶膜都尚未实现制备。作为化合物的GaN，其熔点超过1600℃，比硅高出200℃。

1972年，掺镁的GaN系LED诞生。这是划时代的事件。虽然当时亮度尚不足以商用，但它是首个可实现蓝紫色发光的LED。

自1990年代以来，氮化镓被广泛用于发光二极管（LED）中。它用于读取蓝光的蓝光光盘中。此外，氮化镓也被应用于半导体功率器件、射频组件、激光、光子学等多个领域。未来还可能应用于传感技术领域。

2006年，基于有机金属化学气相沉积法（MOCVD）在标准硅基片的AIN层上成功生长出GaN薄膜，启动了增强型GaN晶体管（也称为GaN FET）制造。AIN层作为基板与GaN之间的缓冲层。凭借这一新方法，使得氮化镓晶体管能在与硅相同的工厂，并使用几乎相同的制造工艺量产。利用既有制程，实现了与硅同等的低成本制造，打破了高性能小型晶体管导入的壁垒。 简单来说，所有半导体材料都有名为带隙（Bandgap）的特性，这表示固体中电子无法存在的能量区域。也就是说，带隙代表了材料导电能力。硅的带隙为1.12eV，而氮化镓的带隙为3.4eV。氮化镓更大的带隙意味着其比硅基MOSFET更能耐受高电压和高温。

正因如此，氮化镓材料使得高功率、高频率的光电子设备成为可能。相比砷化镓（GaAs）晶体管，氮化镓可在更高温度和更高电压下工作，因此被认为是影像传感、微波设备及太赫兹（THz）设备功率放大器的理想材料。

GaN的优势

在AC适配器中采用这种能够支持高功率、高频光电子设备的GaN材料，有哪些好处呢？以下说明GaN应用于AC适配器的优势。

通常，GaN常与采用硅材料的器件进行比较。目前较为普及的硅基MOSFET广泛用于AC/DC电源、DC/DC转换器、马达控制设备等功率转换应用领域，在几十瓦至几千瓦的电源开关中广泛应用，其封装、导通电阻RDS、额定电压、切换速度等性能持续得到了改善。

然而，硅基半导体的性能已经因长期技术进步接近理论极限，改善余地已极为有限。反之，以氮化镓为基础的功率器件，属于高电子迁移率晶体管（HEMT），具备比硅更高的临界电场强度。这种高电子迁移率表明GaN比硅具有更高的电场强度。若导通电阻与击穿电压相同，GaN器件可比硅半导体更小型化。

GaN FET具备极快的开关速度与优异的反向恢复特性，是实现低损耗与高效率性能所不可或缺的。目前，额定电压为600/650V的GaN FET已普遍面市。

在AC适配器方面，其应用优势大致可归纳为下列三点：

对发热的影响

由于GaN具有较宽的带隙，使其具备比硅更高的热导率。这一特性使GaN器件能在更高温下运行，并能更有效冷却，有助于将AC适配器保持在较低温度，从热损害中加以保护。

更高电力密度带来尺寸小型化

由于开关频率和工作温度高于硅器件，可缩小散热片，省去冷却风扇，加强磁器件简化等。GaN器件的高开关频率可使供电电路中所用电感器与电容器体积更小，从而降低AC适配器中电子元件的安装数量，最终实现外壳的小型化。

降低噪声，实现无线电力传输

频率越高，可显著减少马达驱动应用中的声学噪音。此外，更高的频率还使得大功率无线电力传输成为可能，从而提升空间自由度，扩大发射与接收之间的空气间隙。目前此技术已被用于电动汽车充电的研究中。

Unifive开发的GaN搭载AC适配器

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