氮化镓的发展趋势及应用

图6：工作在4 MHz频率的单片式半桥IC比分立式器件的性能更为优越。

Output Current：输出电流

Efficiency：效率

33% die size reduction：减小了33%的裸片面积

Discrete Transistors：分立式晶体管

渗透进广泛的应用中

目前已经有很多应用使用eGaN FET或利用它开发全新应用。有四种应用已经占去潜在市场的一半份额：无线电源传送、LiDAR、包络跟踪及DC/DC 1/8砖式转换器应用。

无线电源传送

全球无线充电市场估计在2018年达100亿美元，CAGR达42.6%!无线电源传送应用采用的标准频率为6.78 MHz，这是由于可用薄薄的线圈及屏蔽。MOSFET在这频率下并不高效，eGaN FET则是这个应用的理想器件。业界领袖包括Qualcomm、Intel、Broadcom、Samsung、Deutche Telecom、Delphi及Witricity组成一个联盟(A4WP)，利用由MIT队伍开发的高度谐振无线电源技术，发展高频无线功率传送标准(6.78 MHz)并把它商用化。目前使用的无线电源传送的应用包括移动电话、游戏控制器、手提电脑、平板电脑、医疗用的植入式仪器及电动汽车。

光学遥感技术

光学遥感技术 (LiDAR)使用镭射脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子地图。该技术可实现高准确性、覆盖更辽阔幅员及加快收集数据的速度及提高效率，其传统应用包括绘制地图、海岸线管理、地质测量、气象学及探索自然资源等应用。相比日益老化的MOSFET器件，目前氮化镓场效应晶体管的开关速度快十倍，使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势，由于可实现优越的开关转换，因此可推动更高准确性。这些性能推动全新及更广阔的LiDAR应用领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用(图8)。

图8：采用LiDAR技术的应用。

包络跟踪

当无线传送的数据日益增加，我们需要先进技术把更多的数据bits放进每一个射频频道。这种技术提高功率放大器的峰值/平均功率的比率(PAPR)。包络跟踪技术可以在具有高PAPR比率的系统内使功率放大器实现最高效率。在一个使用包络跟踪的系统内，一个高频DC/DC包络跟踪转换器替代电池或静态DC/DC转换器，从而追踪包络信号，为功率放大器提供所需电压，可提高系统效率高达一倍。实现包络跟踪有很多不同方法但目的相同 -- 使得功率转换器可以在超高频下工作，例如需要20 MHz频带才可以高效地追踪3G信号(图9)。

图9：包络跟踪应用。

隔离式1/8砖式转换器

eGaN FET比先进的硅基MOSFET器件更细且更高效。为了展示它如何实现更高功率密度、更低成本及更高效，我们设计一个全稳压型、隔离式1/8砖式转换器。 该设计是一个基于氮化镓器件、传统硬开关、全稳压型、使用中央抽头次级线圈的全桥式转换器。最好的全稳压型1/8砖式的输出功率为300 W，在满载条件下的效率大约是94.7%。 采用eGaN FET的设计，我们在500 W可实现的满载条件下的效率为96.5%。在气流为400 LFM时，板上最高温度只是100°C，这是变压器。eGaN FET在500 W输出功率时的温度为91°C或更低(图10)。

图10：500 W、1/8砖式转换器的效率。

硅以外的氮化镓新时代

氮化镓器件可以改善其他应用包括提高MRI成像系统的解像度、使得D类音频放大器的成本更低而同时音质可以更高(因为eGaN FET具备快速开关的性能)、更节能的LED照明系统及更轻盈、快速操作的机器人。

当氮化镓器件进入硅器件的领域之同时，eGaN技术发展迅猛，可满足工程师的设计需要，提供更高效及性能更优越的器件。该技术被证明为具备优越的散热效率及高可靠性。价格是封阻可替代硅MOSFET器件的氮化镓晶体管的普及化的最后一个壁垒，而目前价格也已经下降。氮化镓器件的性能及更低的成本实现了以前不可能成真的趋势及应用，为半导体业界续写摩尔定律的辉煌。