随着器件功耗的增加，氮化镓技术正走向成熟

两粒米

氮化镓晶体管

　　随着技术的发展，对功率的需求也在增加。氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)材料逐渐彰显其作为新一代功率半导体骨干材料的潜力。这类材料功耗更低，性能却优于那些已趋成熟的硅器件。消费类充电器、数据中心、5G和电动汽车等应用代表着功率器件主要的增长市场，它们对器件有着相同的需求：更小的尺寸、更大的功率、更低的损耗。

　　化合物半导体材料氮化镓可满足所有这些需求，这将是其在未来几年得以重用的关键所在。与硅相比，氮化镓有着更出色的开关性能，开关过程中损失的热量更少，在较高的温度下能更稳定地工作，使工程师能够制造更紧凑、更快速、更可靠的器件，同时减少对器件制冷的要求。

　　智能手机需要更大的功率、更快的速度，来运行更多的应用程序。目前，手机的电池续航几乎无法维持一天。此外，标准的5瓦充电器充电速度较慢。智能手机生产商开始意识到消费者对快速充电的需求，并准备推出新一代的大功率充电器，提供高达65瓦的功率，能大幅缩短充电时间。使用基于氮化镓的高电子迁移率晶体管(HEMT)可将充电器的尺寸缩小一半，同时将功率提高到3倍，运行速度是硅基超结金属氧化物半导体场效应晶体管(SJMOSRET)的20倍。

　　数据中心

　　随着云计算、移动出行、物联网、机器学习和流媒体服务的发展，对大数据存储与计算处理的需求也大幅增加。目前，全球有700多万个数据中心在运行，耗电量超过200太瓦。这相当于2019年全球约2%的用电量，而产生的二氧化碳排放量则与全球航空业相当。在这其中，大约30%的电力用于这些设施的冷却。通过提高服务器效率，减少功率和热量损耗，可以节省大量能源，从而降低电力成本，同时减少这些设施的二氧化碳排放量。

　　服务器电源由一个功率因数校正(PFC)级(例如推挽电路)和一个谐振DC-DC级(LLC谐振转换器)组成，输出电压通常为12伏。不过由于高功率 CPU和专用GPU耗电更高，因此目前的趋势是向48伏电源发展。此外，更高的电压可将输电线路上的功耗最高减少到原来的十六分之一。氮化镓技术可以让转换器的每一级都受益(图1)。对于功率因数校正级，其低电容和零反向恢复可以允许配置一个简单的推挽电路;而对于 LLC转换器级，更快的开关速度和较少损耗，让磁体和电容都可以缩小。更精准的同步整流因为停滞时间缩减，从而让氮化镓达到减少功率消耗的效果。