宽带隙半导体（WBG）在电力电子领域的受欢迎程度飙升。宽带隙半导体具有高功率效率和小尺寸的优点，通常被视为实现碳中和的未来的关键工具。

 

GaN power applications

低导通电阻和快速的开关速度使GaN非常适合高频性能。图片（修改）由ROHM半导体提供
 

在所有的WBG半导体中，氮化镓（GaN）似乎特别适合绿色的未来。今年早些时候，纳维半导体发布了第一份年度氮化镓可持续发展报告，强调了氮化镓可以通过多种方式实现环保电子产品。

以下是GaN优化功率设计的三种方法，以减少高频器件和系统的碳足迹。

 

1.能源效率

GaN的主要吸引力之一是它是一种比硅好得多的半导体，提供更高的电子迁移率，随后提供更低的RDS（打开）GaN提供的电子迁移率几乎是传统硅的1000倍，这使其比硅的功率效率高得多。

效率的提高也意味着GaN器件不会产生那么多的热量。由于GaN器件在较低的温度下工作，因此它们通常不需要散热器或服务器机架或电源中的耗电主动冷却系统。

 

2.减少制造业排放

除了节能之外，氮化镓还通过减少排放和制造过程中所需的原材料来造福环境。

 

GaN power ICs require less CO2 emissions per unit

GaN功率IC每单位需要更少的CO2排放。图像由纳维半导体提供

 

由于GaN提供了如此高的效率，与硅相比，对于给定的功率或电流能力，给定应用所需的基本管芯尺寸要小得多。对于相同的性能，需要更小的芯片意味着每个晶片有更多的单元，更好地利用资源，并且对于相同的能量量，每个芯片的占地面积总体更低，这相当于晶片处理中使用的二氧化碳和化学物更少。根据纳维教育的数据，2020年，GaN功率FET的二氧化碳排放量是传统硅FET的四倍。

 

3.减少的材料

最后，除了较低的沟道电阻外，GaN还为设计者提供了在极高频率下切换的能力。

从历史上看，硅基电力电子器件在开关频率和系统效率之间产生反比关系：随着开关频率的增加，系统效率降低。这通常是因为传统硅FET的反向恢复损耗是系统中不可忽略的损耗源。



GaN devices are able to achieve higher efficiencies at high switching rates

GaN器件能够在高开关速率下实现更高的效率。图片由KEMET提供

 

然而，GaN通过消除反向恢复损耗来改变这种说法，这意味着即使在极高的频率下，它也可以保持高水平的功率效率。这一点的重要推论是，高开关频率意味着这些系统中的外部无源元件可以小得多。

更小的无源器件意味着基于GaN的系统获得更小的外壳、更少的整体材料、更低的制造成本和更低的运输成本。

 

绿色氮化镓的未来

在许多方面，氮化镓具有独特的地位，可以为电子行业带来更绿色、更碳中和的的未来。一些半导体公司甚至将氮化镓对环境的影响较低作为一种价值主张。例如，ROHM最近推出了一系列新的150 V GaN HEMT，这些HEMT属于该公司的“EcoGaN”器件。这些器件旨在通过利用GaN的高开关速度和低导通电阻来节约能源并使器件小型化。

随着更高的功率效率、小型化的电子系统和减少的制造排放，GaN可能是对抗全球电子垃圾斗争的另一种方式。