氮化鎵的發(fā)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(yōu)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(jìn)廣泛的應用中

目前已經(jīng)有很多應用使用eGaN FET或利用它開(kāi)發(fā)全新應用。有四種應用已經(jīng)占去潛在市場(chǎng)的一半份額：無(wú)線(xiàn)電源傳送、LiDAR、包絡(luò )跟蹤及DC/DC 1/8磚式轉換器應用。

無(wú)線(xiàn)電源傳送

全球無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)估計在2018年達100億美元，CAGR達42.6%!無(wú)線(xiàn)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(xiàn)圈及屏蔽。MOSFET在這頻率下并不高效，eGaN FET則是這個(gè)應用的理想器件。業(yè)界領(lǐng)袖包括Qualcomm、Intel、Broadcom、Samsung、Deutche Telecom、Delphi及Witricity組成一個(gè)聯(lián)盟(A4WP)，利用由MIT隊伍開(kāi)發(fā)的高度諧振無(wú)線(xiàn)電源技術(shù)，發(fā)展高頻無(wú)線(xiàn)功率傳送標準(6.78 MHz)并把它商用化。目前使用的無(wú)線(xiàn)電源傳送的應用包括移動(dòng)電話(huà)、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(dòng)汽車(chē)。

光學(xué)遙感技術(shù)

光學(xué)遙感技術(shù) (LiDAR)使用鐳射脈沖快速形成三維圖像或為周?chē)h(huán)境制作電子地圖。該技術(shù)可實(shí)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(xiàn)管理、地質(zhì)測量、氣象學(xué)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(chǎng)效應晶體管的開(kāi)關(guān)速度快十倍，使得LiDAR系統具備優(yōu)越的解像度及更快速反應時(shí)間等優(yōu)勢，由于可實(shí)現優(yōu)越的開(kāi)關(guān)轉換，因此可推動(dòng)更高準確性。這些性能推動(dòng)全新及更廣闊的LiDAR應用領(lǐng)域的出現包括支持電玩應用的偵測實(shí)時(shí)動(dòng)作、以手勢驅動(dòng)指令的計算機及自動(dòng)駕駛汽車(chē)等應用(圖8)。

圖8：采用LiDAR技術(shù)的應用。

包絡(luò )跟蹤

當無(wú)線(xiàn)傳送的數據日益增加，我們需要先進(jìn)技術(shù)把更多的數據bits放進(jìn)每一個(gè)射頻頻道。這種技術(shù)提高功率放大器的峰值/平均功率的比率(PAPR)。包絡(luò )跟蹤技術(shù)可以在具有高PAPR比率的系統內使功率放大器實(shí)現最高效率。在一個(gè)使用包絡(luò )跟蹤的系統內，一個(gè)高頻DC/DC包絡(luò )跟蹤轉換器替代電池或靜態(tài)DC/DC轉換器，從而追蹤包絡(luò )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(shí)現包絡(luò )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(luò )跟蹤應用。

隔離式1/8磚式轉換器

eGaN FET比先進(jìn)的硅基MOSFET器件更細且更高效。為了展示它如何實(shí)現更高功率密度、更低成本及更高效，我們設計一個(gè)全穩壓型、隔離式1/8磚式轉換器。 該設計是一個(gè)基于氮化鎵器件、傳統硬開(kāi)關(guān)、全穩壓型、使用中央抽頭次級線(xiàn)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(mǎn)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(shí)現的滿(mǎn)載條件下的效率為96.5%。在氣流為400 LFM時(shí)，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(shí)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(shí)代

氮化鎵器件可以改善其他應用包括提高M(jìn)RI成像系統的解像度、使得D類(lèi)音頻放大器的成本更低而同時(shí)音質(zhì)可以更高(因為eGaN FET具備快速開(kāi)關(guān)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(jìn)入硅器件的領(lǐng)域之同時(shí)，eGaN技術(shù)發(fā)展迅猛，可滿(mǎn)足工程師的設計需要，提供更高效及性能更優(yōu)越的器件。該技術(shù)被證明為具備優(yōu)越的散熱效率及高可靠性。價(jià)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(gè)壁壘，而目前價(jià)格也已經(jīng)下降。氮化鎵器件的性能及更低的成本實(shí)現了以前不可能成真的趨勢及應用，為半導體業(yè)界續寫(xiě)摩爾定律的輝煌。