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目前，以氮化鎵、碳化硅為首的第三代半導(dǎo)體技術(shù)在越來越多的場(chǎng)合獲得了應(yīng)用，隨著規(guī)模上的不斷擴(kuò)張，原本價(jià)格上的劣勢(shì)也在逐步減小，具體到應(yīng)用層面。

在博世，碳化硅作為第三代半導(dǎo)體之一新興技術(shù)，將投入研發(fā)與應(yīng)用，博世新研發(fā)制造基地將研發(fā)和制造配備新一代碳化硅功率模塊單元的電驅(qū)產(chǎn)品。但今天，我們先不談碳化硅，我們來了解一下與碳化硅同為第三代半導(dǎo)體技術(shù)代表的氮化鎵。它究竟是什么，能夠帶來多大的優(yōu)勢(shì)？這些問題，我將在接下來的文章總給大家一一作答。

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什么是氮化鎵半導(dǎo)體

氮化鎵是一種非常堅(jiān)硬且在機(jī)械方面非常穩(wěn)定的寬帶隙半導(dǎo)體材料。它的化學(xué)式為GaN，是由鎵和氮元素組成的化合物。氮化鎵具有許多優(yōu)異的物理和電學(xué)特性，使其成為許多高性能電子器件的理想選擇。

氮化鎵半導(dǎo)體具有以下特點(diǎn)：

由于具有更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開關(guān)、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通電阻，氮化鎵基功率器件明顯比硅基器件更優(yōu)越。

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氮化鎵半導(dǎo)體的開關(guān)速度

氮化鎵元件一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)在于它極快的開關(guān)速度，它的柵極電容和輸出電容比硅基MOSFET小的多，同時(shí)由于沒有體二極管pn結(jié)，因此在硬開關(guān)中，沒有相關(guān)的反向恢復(fù)電荷。

這兩個(gè)因素有助于消除死區(qū)時(shí)間并將PWM頻率增加到可以用陶瓷電容器代替輸入濾波器。在100和200 kHz之間的范圍內(nèi)，陶瓷電容器具有較低的串聯(lián)阻抗、溫度更穩(wěn)定且更可靠，從而在給定的相同功耗和功率輸出條件下，可實(shí)現(xiàn)更小、更輕的逆變器，從而可以更安靜地運(yùn)行。

圖2和圖3分別顯示了傳統(tǒng)逆變器和GaN逆變器組成的兩種不同設(shè)置的輸入電流、輸入電壓和輸出電流的紋波。兩種設(shè)置都以36 VDC電池電壓和5 ARMS 相電流運(yùn)行電動(dòng)自行車的電機(jī)。

圖2：帶有 LC 輸入濾波器的傳統(tǒng)逆變器，PWM = 20 kHz、DT = 500 ns、L = 6 μH、C = 2 x 330 μF 電解電容器

由于輸入電壓和電流紋波相似，因此預(yù)期EMI相同。在基于氮化鎵器件的100 kHz解決方案中，輸出電流紋波降低，而電機(jī)的電流具有更好的正弦形狀。

圖3：沒有輸入濾波器、基于氮化鎵器件的逆變器于PWM = 100 kHz、DT = 21 ns、C = 2 x 22 μF 陶瓷

除此以外，拋棄了傳統(tǒng)硅基MOSFET的鍵合線的封裝形式，消除了引線封裝電感。在一些情況下用戶可以得到非常干凈的波形，這樣就可以實(shí)現(xiàn)超低電感的電機(jī)運(yùn)行、更高的位置精度、更低的電流紋波、更低的扭矩紋波和更低的可聽噪聲。

如果使用如此高的開關(guān)頻率，對(duì)于傳統(tǒng)的硅基功率器件來說熱性能會(huì)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。不過由于GaN器件是雙面冷卻的。也就是說，如果我們將GaN?FET（氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的熱阻至外殼值與采用最佳熱封裝的MOSFET（DirectFET）進(jìn)行比較，eGaN器件比同類最佳的DirectFET好6倍，因?yàn)閑GaN芯片可以通過PCB頂部和側(cè)邊散熱。較低的熱阻帶來了令人難以置信的熱性能。

例如一個(gè)小小的4mm2的芯片可以耗散6W的熱量，溫升只有24度，或每瓦4攝氏度。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，尺寸和成本非常重要，而效率則由電機(jī)主導(dǎo)。?因此，許多應(yīng)用的關(guān)鍵目標(biāo)是在盡可能小的體積內(nèi)驅(qū)動(dòng)最大的電流。

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氮化鎵半導(dǎo)體在產(chǎn)品上的具體應(yīng)用

氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體在汽車電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和聯(lián)系。以下是其中一些關(guān)鍵的聯(lián)系點(diǎn)：

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功率電子器件

GaN半導(dǎo)體具有優(yōu)異的功率特性，可以實(shí)現(xiàn)高頻率、高效率的電能轉(zhuǎn)換。在汽車電子中，它們可以用于直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器、直流-交流（DC-AC）逆變器和電源管理系統(tǒng)等功率電子器件中。GaN半導(dǎo)體的高開關(guān)頻率和低開關(guān)損耗使得它們能夠提供更高的功率密度和更高的效率，從而幫助汽車電子系統(tǒng)更好地滿足能源管理和電力傳輸?shù)男枨蟆?/p>

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電動(dòng)汽車（EV）充電系統(tǒng)

GaN半導(dǎo)體的高功率特性使其成為電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的理想選擇。通過使用GaN功率轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)高速充電和高效率的能量轉(zhuǎn)換，從而縮短充電時(shí)間并提高充電效率。此外，GaN半導(dǎo)體還可以幫助實(shí)現(xiàn)更小型、輕量化的充電器設(shè)計(jì)，提升電動(dòng)汽車的便攜性和靈活性。

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高亮度照明系統(tǒng)

GaN半導(dǎo)體在汽車前大燈、尾燈和車內(nèi)照明系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。由于GaN半導(dǎo)體具有優(yōu)秀的光電特性，如高亮度、高工作溫度和長壽命等，它們可以實(shí)現(xiàn)更明亮、更節(jié)能的車燈和照明系統(tǒng)。同時(shí)，GaN半導(dǎo)體還能夠提供更精確的光控制，使得汽車照明系統(tǒng)更加智能化和可定制化。

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其他應(yīng)用

GaN器件的目標(biāo)應(yīng)用是輸入電壓在24V到150V之間，通常是48V。一些典型的應(yīng)用是無刷直流電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)自行車和電動(dòng)滑板車、無人機(jī)，以及車載電機(jī)等等，因?yàn)樵诟叨耸袌?chǎng)中，電機(jī)以及控制器必須非常小、非常輕。

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在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，越來越多的公司開始嘗試在氮化鎵技術(shù)方面進(jìn)行布局。

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第三代半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)，為下一代功率電子器件的發(fā)展指明了方向，更強(qiáng)性能，更小體積的各種產(chǎn)品也將應(yīng)運(yùn)而生，來到我們的生活之間，一個(gè)很直觀的例子就是國內(nèi)手機(jī)廠商越來越卷的快充技術(shù)，背景就是氮化鎵技術(shù)的進(jìn)步。在不遠(yuǎn)的將來，我們還會(huì)在生活中見到更多的使用了第三代半導(dǎo)體技術(shù)的產(chǎn)品，體驗(yàn)科技給生活帶來的便利！

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編輯：黃飛