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氮化镓（GaN）是一种宽带隙半导体，可以用于PD快充协议芯片的原材料上，其使用在多个功率电子应用中是在不断增长的。这是由于该材料的出色性质，其在功率密度，对高温性的抵抗力方面，以及在高开关频率下操作比硅（Si）更优秀。
硅长时间作为功率电子器件中的主导半导体，几近快达到自身的物理限制，从而半导体转向了能够提供更大的功率密度和更好能效的材料的电子研究。 GaN的带隙（3.4eV）是硅（1.1eV）的3倍之多，能提供更高的临界电场，其与降低的介电常数一起，导致给定阻塞电压一个低导通电阻。与硅（以及甚至更大的程度，用碳化硅[SiC]）相比，GaN提供较低的导热率（约1.3W/cmk，与在300K华氏度的1.5W/cmk相比），需要细心设计布局和适当的能够有效地散发热能的封装技术。通过用GaN晶体管替代基于SI的器件，工程师可以设计更小，更轻的电子系统，从而减少能量损失和成本。
基于氮化镓功率器件的市场增长急剧增长是由于汽车，电信，云系统，电压转换器，电动车辆等对高效解决方案的需求增加。我们将展示氮化镓的一些应用，不仅仅是对技术挑战的展示，甚至是对增长的市场新机遇的展示。
电动机驱动
基于氮化镓的出众特性，氮化镓被推荐用于电动机控制领域替代传统基于硅的晶体管和IGBT。硅的开关频率高达1,000倍，再加上低导通和低开关损耗，氮化镓技术提供高效，轻和低占地面积解决方案。高开关频率（氮化镓功率晶体管的开关速度可以达到100 V/NS）允许工程师使用较低值的电感和电容器（就是小尺寸意思）。低导通电阻减少了产生的热量，提高能量效率并允许更紧凑的尺寸。与基于硅的设备相比，氮化镓的组件需要具有更高工作电压的电容，能够处理高dV/dt瞬变和低等效串联电阻。
氮化镓提供的另一个优点是其高的击穿电压（50-100V，与可其他半导体的典型值5到15V相比），其允许功率器件在较高输入功率和电压下操作而不被损坏。更高的开关频率允许氮化镓设备实现更大的带宽，因此，更紧密的电动机控制算法可被实现。此外，通过使用可变频驱动（VFD）电动机控制，可以通过氮化镓来实现传统的硅场效晶体管和IGBT不可获得的效率水平。此外，可变频驱动实现了极其准确的速度控制，因为电机速度可以上下调节，以所需的速度保持负载。图1显示了TI TIDA-00909参考设计，基于具有三个半桥氮化镓电源模块三相逆变器。 氮化镓晶体管可以比硅对应物切换得更快，减少寄生电感和损耗，提高开关性能（小于2-ns上升和下降时间），并允许设计人员缩小或消除散热器。 氮化镓功率级具有非常低的开关损耗，允许峰值效率在100-kHz PWM下高达98.5％ 的更高的PWM开关频率
5G
氮化镓在RF区域还提供了的具体和非常有趣的前景，能够非常有效地放大高频信号。因此，可以创建能够覆盖相当距离的高频放大器和发射器，其中应用诸如雷达，预警系统，卫星通信和基站。
作为下一代移动技术，5G在更大的容量和效率，降低延迟和无处不在的连接方面提供了显着的好处。使用不同频带，包括子6-GHz频带和毫米波（mmWAVE）（高于24-GHz）频带，需要诸如氮化镓的材料，为PD快充协议芯片提原材料，同时可以提供高带宽，高功率密度和卓越效率价值观。归功于其物理性质及其晶体结构，GaN可以在相同的施加电压下支撑，比相当于横向漫射MOSFET器件更高的开关频率，实现更小的占地面积。新兴的5G技术，例如巨大的多输入，多输出（MIMO）和mmWAVE，需要专用的RF前端芯片组。 GaN-On-SiC，它结合了GaN的高功率密度和具有高导热率和降低SiC的RF损耗，证明是高功率5G和RF应用的最合适的解决方案。适用于5G应用的几种基于GaN设备在市场上可用，例如5G大量MIMO应用和多个通道开关的低噪声放大器。
无线电力传输
GaN的最具创新性应用属于无线充电技术，GaN的通过将更大的能量转移到接收设备来降低功率损耗。这些系统通常包括RF接收器和功率放大器，以6.78或13.56 MHz的频率操作并基于GaN设备。与传统的Si基设备相比，GaN晶体管获得具有非常紧凑的尺寸的方案，是无线充电应用的关键因素。一个示例应用是无人机，其中可用空间是有限的，并且可以在从空中悬停在充电器上进行充电。
最有效的集成无线电源 - 传输解决方案使用GaN晶体管将系统大小降低到2x至3x倍，从而降低充电系统成本。 650 V GaN e-HEMT晶体管为有效的无线充电提供了理想的解决方案，其功率水平范围从大约10W到超过2kW。图2展示了基于GaN设备的小型工具或移动设备的无线充电解决方案。
数据中心
氮化镓与硅的组合也在数据中心部门提供了重要的机遇，比如应用在PD快充协议芯片上，解决了快速充电的难题，其中高性能和降低成本具有重要意义。在云服务器运行24/7的数据中心中，电压转换器被广泛使用，其典型值为48 V，12V，甚至更低，用于向多处理器系统核心提供电力。随着全球发电迅速增加，电力转换效率已成为寻求净零的公司的关键因素，包括公司运营数据中心和云计算服务。数据中心需要越来越多的功率在更少的空间内，GaN技术可以满足广泛的要求，在转换器和电源，尺寸减小和更好的热管理方面取得更高的效率，从而降低了提供者的成本。数据中心中很常见是AC / DC转换器，其中PFC前端级将总线电压调节到直流，然后DC/DC级降压总线电压，并提供电流隔离和调节的直流输出（48V，12V等）。PFC级将电源的输入电流与电源电压同步，从而最大化实际功率。基于氮化镓的图腾极 PFC（参见图3）在效率和功率密度方面被证明是一个获胜的拓扑。
氮化镓的挑战
从历史上看，去克服实现GaN技术不断扩散的主要挑战一直是可靠性和价格这两点。与可靠性有关的第一个问题在很大程度上得到了解决，商业设备通过在200?C的结温下运行，能够保证超过100万小时的平均故障。虽然早期的GaN设备比有竞争力的技术如硅等技术更昂贵，但价格差距从2到4英寸晶圆上的初始GaN生产显着缩小到6英寸晶圆，最近，8英寸（200mm）晶圆。最近的发展和持续的过程改进将继续降低GaN设备的制造成本，使其价格更具竞争力。
