氮化鎵的發展趨勢及應用

圖6：工作在4 MHz頻率的單片式半橋IC比分立式器件的性能更為優越。

Output Current：輸出電流

Efficiency：效率

33% die size reduction：減小了33%的裸片面積

Discrete Transistors：分立式晶體管

滲透進廣泛的應用中

目前已經有很多應用使用eGaN FET或利用它開發全新應用。有四種應用已經占去潛在市場的一半份額：無線電源傳送、LiDAR、包絡跟蹤及DC/DC 1/8磚式轉換器應用。

無線電源傳送

全球無線充電市場估計在2018年達100億美元，CAGR達42.6%!無線電源傳送應用采用的標準頻率為6.78 MHz，這是由于可用薄薄的線圈及屏蔽。MOSFET在這頻率下并不高效，eGaN FET則是這個應用的理想器件。業界領袖包括Qualcomm、Intel、Broadcom、Samsung、Deutche Telecom、Delphi及Witricity組成一個聯盟(A4WP)，利用由MIT隊伍開發的高度諧振無線電源技術，發展高頻無線功率傳送標準(6.78 MHz)并把它商用化。目前使用的無線電源傳送的應用包括移動電話、游戲控制器、手提電腦、平板電腦、醫療用的植入式儀器及電動汽車。

光學遙感技術

光學遙感技術 (LiDAR)使用鐳射脈沖快速形成三維圖像或為周圍環境制作電子地圖。該技術可實現高準確性、覆蓋更遼闊幅員及加快收集數據的速度及提高效率，其傳統應用包括繪制地圖、海岸線管理、地質測量、氣象學及探索自然資源等應用。相比日益老化的MOSFET器件，目前氮化鎵場效應晶體管的開關速度快十倍，使得LiDAR系統具備優越的解像度及更快速反應時間等優勢，由于可實現優越的開關轉換，因此可推動更高準確性。這些性能推動全新及更廣闊的LiDAR應用領域的出現包括支持電玩應用的偵測實時動作、以手勢驅動指令的計算機及自動駕駛汽車等應用(圖8)。

圖8：采用LiDAR技術的應用。

包絡跟蹤

當無線傳送的數據日益增加，我們需要先進技術把更多的數據bits放進每一個射頻頻道。這種技術提高功率放大器的峰值/平均功率的比率(PAPR)。包絡跟蹤技術可以在具有高PAPR比率的系統內使功率放大器實現最高效率。在一個使用包絡跟蹤的系統內，一個高頻DC/DC包絡跟蹤轉換器替代電池或靜態DC/DC轉換器，從而追蹤包絡信號，為功率放大器提供所需電壓，可提高系統效率高達一倍。實現包絡跟蹤有很多不同方法但目的相同 -- 使得功率轉換器可以在超高頻下工作，例如需要20 MHz頻帶才可以高效地追蹤3G信號(圖9)。

圖9：包絡跟蹤應用。

隔離式1/8磚式轉換器

eGaN FET比先進的硅基MOSFET器件更細且更高效。為了展示它如何實現更高功率密度、更低成本及更高效，我們設計一個全穩壓型、隔離式1/8磚式轉換器。 該設計是一個基于氮化鎵器件、傳統硬開關、全穩壓型、使用中央抽頭次級線圈的全橋式轉換器。最好的全穩壓型1/8磚式的輸出功率為300 W，在滿載條件下的效率大約是94.7%。 采用eGaN FET的設計，我們在500 W可實現的滿載條件下的效率為96.5%。在氣流為400 LFM時，板上最高溫度只是100°C，這是變壓器。eGaN FET在500 W輸出功率時的溫度為91°C或更低(圖10)。

圖10：500 W、1/8磚式轉換器的效率。

硅以外的氮化鎵新時代

氮化鎵器件可以改善其他應用包括提高MRI成像系統的解像度、使得D類音頻放大器的成本更低而同時音質可以更高(因為eGaN FET具備快速開關的性能)、更節能的LED照明系統及更輕盈、快速操作的機器人。

當氮化鎵器件進入硅器件的領域之同時，eGaN技術發展迅猛，可滿足工程師的設計需要，提供更高效及性能更優越的器件。該技術被證明為具備優越的散熱效率及高可靠性。價格是封阻可替代硅MOSFET器件的氮化鎵晶體管的普及化的最后一個壁壘，而目前價格也已經下降。氮化鎵器件的性能及更低的成本實現了以前不可能成真的趨勢及應用，為半導體業界續寫摩爾定律的輝煌。