氮化镓凭独特优势，在射频、功率器件领域全面 “开花”
氮化镓凭独特优势，在射频、功率器件领域全面 “开花”
氮化镓（GaN）作为一种新型半导体材料，凭借其卓越的物理特性和技术优势，在射频和功率器件领域展现出巨大的应用潜力。本文将为您详细介绍氮化镓的特性、技术优势及其在无线充电等领域的具体应用，展望其在未来科技发展中的重要作用。
在科技迅猛发展的当下，新型材料不断涌现，其中氮化镓（GaN）凭借其卓越特性脱颖而出，正逐步成为推动多个领域变革的关键力量。氮化镓是一种直接带隙半导体，拥有 3.4 eV 的宽带隙，分别比砷化镓宽 2.4 倍，比硅宽 3 倍。其具备禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速率大、热导率高、化学性质稳定以及抗辐射能力强等一系列显著优势，这使得它在高温、高频、大功率微波器件的材料选择中独占鳌头，尤其在功率器件领域广泛应用，同时在高频通信领域也展现出了巨大的应用潜力。
从技术发展前景来看，氮化镓半导体备受全球主要国家关注，成为科技攻关的重点方向。预计在未来一段时间内，全球氮化镓行业将迎来技术飞速发展的黄金期。在市场前景方面，氮化镓作为研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，在光电子、激光器、高温大功率器件以及高频微波器件等诸多应用领域展现出极为广阔的发展空间。据预测，到 2026 年全球氮化镓元件市场规模将增长至 423 亿美元，年均复合增长率约为 13.5%，这一数据充分彰显了其在市场上的巨大潜力。
氮化镓的应用领域极为广泛。在射频器件方面，射频氮化镓器件在 5G 基站、卫星、雷达等领域发挥着关键作用。在功率器件领域，其应用涵盖快充、逆变器、汽车电子电源开关、高端服务器等多个方面。值得一提的是，随着无线充电技术在技术行业的日益普及，氮化镓功率器件在其中的应用正推动着无线充电向更高效、更快速的方向发展。
无线充电主要包括磁感应和磁共振两种类型。磁感应通过充电板的线圈产生电磁场，在设备内的另一个线圈中感应电流，从而实现电力传输；磁共振则利用多个线圈产生共振电磁场，使设备在更远距离甚至透过某些表面（如桌子、背包）进行充电。无线充电的核心技术是电磁感应，充电板的线圈通电产生磁场，当设备进入磁场范围，设备内线圈感应出电流为电池充电。目前，无线充电采用由无线充电联盟开发的 Qi 标准，该标准在智能手机等众多设备中得到广泛应用。
基于氮化镓的无线充电解决方案优势明显。氮化镓作为宽带隙半导体，在电力电子行业备受青睐。其功率器件能够在更高电压、更高开关频率和更高温度下工作，相较于传统硅基器件，效率大幅提升。在无线充电中，氮化镓功率器件可处理更高功率密度，实现更快充电；能在更高频率下工作，减少对大尺寸电容器和电感器的需求，使无线充电板体积更小、更便携；其转化为热量的能量更少，降低了功耗和充电过程中的散热量，有效解决了无线充电中散热这一关键问题；同时，氮化镓功率器件制造成本更具效益，可靠性更高，减少了维修和更换频率。如今，氮化镓功率器件已广泛应用于各种无线充电技术，包括最为普及的 Qi 无线充电，为用户带来更快的充电速度和更高效的功率传输体验。无线充电技术不仅在智能手机、智能手表、笔记本电脑等消费电子产品中广泛应用，还以无线充电板的形式在汽车行业的电动汽车中崭露头角，为车辆充电提供了更便捷、高效的方式；在医疗保健行业，也用于植入式起搏器、胰岛素泵等医疗设备的充电。
氮化镓还在提升无线充电效率方面发挥着重要作用。传统 Qi 无线充电在中等功率应用中频率范围为 80 kHz 至 300 kHz，低功率水平（高达 110 W）时频率在 205 kHz 至 5 kHz 之间。在一定间隔距离下，无线电力传输（WPT）的有效性与发射和接收线圈的质量因数（Q1，Q2）呈负相关，而最大 Q 因数在 5 - 15 MHz 范围内达到。氮化镓 HEMT 的高频开关功能使高效高频 WPT 成为可能，具备诸多优势，如可传输比传统 kHz 频率下更高的功率电平（> 15 W）；在所有三个轴上具有更高的空间自由度；可实现更薄的 PCB 天线和发射 / 接收组件（减轻重量，对电动汽车应用，如车内照明、电动座椅充电等极为有利）；较大的 z 轴分离可将发射器放置在表面和墙壁后面，方便外部安全摄像头安装，也可在车内充电盒内为电动工具充电；且不会加热金属物体。更高效的氮化镓 WPT 不仅能优化现有应用，还能催生新的应用场景，如电动滑板车 200 W 充电，其在充电垫上方向的灵活性简化了实施过程；7kW 的 EV WPT 充电器在充电板和车辆接收天线之间可使用 11 厘米的间隙，与传统 85 kHz 的 WPT 充电器相比，大大缩短了充电时间。预计到 2030 年，无人机电子交付市场以及专业或个人使用的机器人市场规模将超过 100 亿美元，基于氮化镓的 WPT 有望在这些应用中发挥重要作用。
传统无线充电技术，尤其是基于 Qi 标准的技术，在较低功率水平运行时存在效率低下、局限性大等问题，仅适用于智能手机、可穿戴设备、医疗植入物和物联网设备等小型设备。其不仅产生热量影响充电速度，且散热问题导致不够环保，同时还存在设备定位要求精确、体积笨重、成本高昂等不足。例如，Eggtronic 创建的 E2WAT 无线电力传输架构，基于氮化镓解决方案，结合电源和无线充电器，依靠专利感应技术和拓扑结构实现零电压开关和零电流开关无线电力传输，将转换级数量减少到两个，有效解决了传统方法的缺点。
氮化镓凭借其独特优势，在多个领域展现出巨大的应用价值和发展潜力。从射频器件到功率器件，从消费电子到汽车、医疗等行业，氮化镓正逐步改变着我们的生活和科技发展格局。随着技术的不断进步和应用的深入拓展，相信氮化镓将在未来科技发展中发挥更为重要的作用，为我们带来更多意想不到的惊喜与变革。