使用GaN(氮化镓)的AC适配器是什么

这是介绍搭载了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适配器已采用该技术。

下一代半导体，GaN搭载AC适配器是什么

什么是GaN？

　近年来在连锁电器商店中经常可以看到搭载GaN PD的USB AC适配器，其中“GaN”是指氮化镓，是在电力电子领域引起变革的备受关注的新一代材料。几十年来，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重要角色，是现代生活中不可或缺的存在。然而，对普遍使用的硅MOSFET的改良和提高能效方面存在理论上的极限，当前技术已接近没有进一步改进空间的水平。

　此外，近年来对功率密度和能效的需求不断增加，在以发达国家为中心推动环保的趋势下，开始实施各种环保法规。在这种背景下，硅作为一种材料，在响应环保趋势上存在一定困难。相较之下，氮化镓具备可满足对电力系统效率、性能和功率密度提高需求的特性，正逐步得到推广，成为替代硅材料的下一代电力开关技术的关键。

那么，什么是氮化镓？

　氮化镓在自然界中并不存在于原始形式。它通常是在从铝土矿中冶炼铝或加工闪锌矿制造锌的过程中作为副产品获得，因此其提炼过程中的二氧化碳排放量非常少。全球每年生产300吨以上的镓，总储量估计超过100万吨。由于是加工时的副产品，价格相对低廉，每公斤约300美元，仅为每公斤约6万美元黄金价格的1/200。

　除了环保方面的优势外，氮化镓作为Ⅱ-Ⅲ族直接带隙半导体，即使在高温下也可正常运行，是适用于高功率晶体管的优良材料。

GaN的历史

　纯镓的熔点仅为30℃，在人体体温下可在手心中融化。而直到65年后，氮化镓才首次被合成，并且在进入1960年代之前，还无法成功制造氮化镓单晶膜。GaN这种化合物的熔点超过1600℃，比硅高出近200℃。

　1972年，掺杂镁的GaN型LED诞生，这是开创性的事件。虽然起初亮度不足以商用，但它是首个能发出蓝紫光的LED。

　自1990年代起，氮化镓开始广泛用于LED。氮化镓能够发出用于读取蓝光光盘的蓝色光。此外，氮化镓还用于半导体功率器件、RF组件、激光器和光子学等领域。据称未来还将在传感器技术方面发挥作用。

　2006年，采用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在标准硅晶圆的AlN层上生长出GaN薄膜，由此开始制造增强型GaN晶体管（也称为GaN FET）。AlN层在衬底与GaN之间起到缓冲作用。通过这一新方法，氮化镓晶体管可以在与硅相同的既有工厂中，以几乎相同的制程工艺制造。使用已知的工艺流程，不仅降低了制造成本，也降低了高性能小型晶体管应用的门槛。如果具体说明，所有半导体材料都存在所谓的带隙，这是电子状态不存在的固体能量范围。简而言之，带隙决定了材料的电导率。硅的带隙为1.12eV，而氮化镓的带隙为3.4eV。带隙更宽意味着氮化镓能够承受比硅MOSFET更高的电压和温度。

　由于带隙更宽，氮化镓可应用于光电子高功率、高频器件。氮化镓相比砷化镓（GaAs）晶体管，可在更高温度与电压下运行，因此也是用于成像与传感等微波设备及太赫兹（ThZ）设备电力放大器的理想选择。

GaN的优势

　将GaN这一可应用于光电子高功率、高频器件的材料用于AC适配器中，将带来哪些优势？以下将介绍人在AC适配器中使用GaN的主要优点。

　通常GaN常与使用硅材料的器件相比。目前主流的硅基MOSFET广泛用于AC/DC电源、DC/DC电源、马达控制设备等各类几瓦至几百、几千瓦的应用中，其封装、导通电阻RDS、额定电压和开关速度不断提升。

　然而，硅基半导体的性能已经随着长时间技术进步达到了理论极限，几乎无法再提高。相比之下，基于氮化镓的功率器件是具有较高临界电场强度的高电子迁移率晶体管。电子迁移率高意味着GaN拥有比硅更高的电场强度，并且在导通电阻和击穿电压相同时，GaN器件比硅器件体积更小。

　GaN FET具备低损耗、高效率运行所需的非常快速的开关速度和优秀的反向恢复特性。目前，600/650V等级的GaN FET已经广泛流通于市场。

　用于AC适配器的主要优势如下三点。

对发热的控制效果

　由于GaN具有较宽的带隙，相较于硅材料具备更高的热导率。这一特性让GaN器件能在更高温度下稳定工作并更有效地散热，使AC适配器保持在较低温度，并可防止因高温造成的损害。

高功率密度实现的小型化

　GaN部件拥有比硅部件更高的开关频率和工作温度，因此可以缩小散热片的体积，省去冷却风扇，并减少磁性元件。开关频率越高，电源电路中使用的电感与电容器就可以更小型化，从而减少AC适配器内部元件数量，最终实现整体机壳的小型化。

降低声学噪音，实现无线电力传输

　频率越高，在马达驱动类应用中产生的声音噪音越少。此外，高频率还可实现更高输出的无线电力传输，提高空间自由度，可增大发射与接收之间的空隙。目前，该技术也正在用于电动汽车充电等领域的研究中。

由Unifive开发的GaN搭载AC适配器

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