WBG 材料在 5G 系統(tǒng)中的集成

功率半導體正在顯著影響下一代網(wǎng)絡的發(fā)展。寬帶隙 (WBG) 半導體材料在電信系統(tǒng)中的集成正在成為支持和增強 5G 基礎(chǔ)設(shè)施的戰(zhàn)略解決方案。

在連接方面，寬帶隙半導體比傳統(tǒng)硅器件具有顯著優(yōu)勢，使其成為先進電信環(huán)境中應用的理想選擇。隨著時間的推移，碳化硅和氮化鎵的重要性在這些材料的固有技術(shù)特性以及能源效率和熱管理方面的優(yōu)勢的支持下，5G 基礎(chǔ)設(shè)施的需求不斷增長。與前幾代電信相比，向 5G 網(wǎng)絡的過渡代表著范式的轉(zhuǎn)變。 5G 網(wǎng)絡有望顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速度、減少延遲并能夠支持無數(shù)同時連接的設(shè)備。然而，這些功能需要能夠在苛刻的操作條件下運行的高效基礎(chǔ)設(shè)施。

電信行業(yè)中的寬帶隙材料

寬帶隙材料對于滿足電信系統(tǒng)的需求變得至關(guān)重要。這些材料提供比硅更高的電子遷移率，這使得設(shè)備能夠在更高的電壓和溫度下運行，而不會影響性能。這意味著減少功率損耗并提高電信系統(tǒng)的整體效率。

WBG 半導體(尤其是 GaN)的主要優(yōu)勢之一是它們能夠在高開關(guān)頻率下工作。 5G 網(wǎng)絡需要功率放大器能夠在 3 GHz 以上的頻率下高效運行，在某些情況下甚至高達 100 GHz。基于 GaN 的器件可以在這些頻率下運行，而不受硅相關(guān)的限制設(shè)備。此功能對于 5G 基站的運行至關(guān)重要，5G 基站必須處理大量數(shù)據(jù)并以最小的功率損耗長距離傳輸信號。此外，GaN 的高開關(guān)效率可以減小濾波器和電感器等無源元件的尺寸，這些元件對于射頻 (RF) 電路的正常運行至關(guān)重要，這不僅可以降低設(shè)備的成本和重量而且還提高了其可靠性和壽命。

另一方面，SiC 對于高功率和熱管理應用特別有利。 5G基站經(jīng)常需要在惡劣的環(huán)境下運行，散熱是首要問題?；?SiC 的器件可以在比硅器件更高的溫度下運行，高達 200°C 或更高，而不會降低其性能。這消除了對復雜且昂貴的冷卻系統(tǒng)的需求，從而降低了運營成本并提高了可靠性。此外，SiC 還提供更強的電壓阻斷能力，這對于管理負載變化和確保峰值條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要，這一特性對于 5G 基站尤為重要，因為 5G 基站必須快速適應數(shù)據(jù)流量和電力需求的變化，同時保持高信號質(zhì)量。

將 SiC 和 GaN 集成到 5G 網(wǎng)絡中的另一個重要方面是能源效率。隨著連接設(shè)備密度的不斷增加以及持續(xù)運行的需求，5G 網(wǎng)絡需要能夠最大限度降低功耗的解決方案。 WBG 材料通過其卓越的功率轉(zhuǎn)換效率和減少能量損失為這一目標做出了重大貢獻。例如，基于 GaN 的功率放大器可以實現(xiàn)超過 70% 的效率，而同等硅器件的效率通常為 50% 至 60%。效率的提高意味著功耗和熱量排放的減少，從而使基站和其他 5G 基礎(chǔ)設(shè)施的運行更加可持續(xù)。此外，SiC 器件在高電壓下運行的能力提高了用于為基站供電的電源轉(zhuǎn)換器的效率，進一步降低整體功耗。

熱管理是寬帶隙半導體具有顯著優(yōu)勢的另一個領(lǐng)域。由于高頻數(shù)據(jù)傳輸所需的高功率密度，5G 網(wǎng)絡會產(chǎn)生大量熱量。由于效率更高，在相同功率輸出下，GaN 產(chǎn)生的熱量比硅器件少，從而減少了對風扇和散熱器等主動冷卻系統(tǒng)的需求，這些系統(tǒng)不僅價格昂貴，而且體積龐大，而且可能容易出現(xiàn)故障。 SiC 在不影響性能的情況下在更高溫度下運行的能力提供了額外的優(yōu)勢，可以設(shè)計出更緊湊、更穩(wěn)健的系統(tǒng)。因此，這些材料在 5G 站中的組合可以更有效地解決熱挑戰(zhàn)，確?；A(chǔ)設(shè)施更高的可靠性和耐用性。

在第五代網(wǎng)絡中使用 SiC 和 GaN 的另一個好處是可以減小基站的尺寸和重量，從而促進其在密集城市地區(qū)和偏遠地區(qū)的部署。 5G網(wǎng)絡需要比以前的網(wǎng)絡更廣泛的站點分布，以及更高的天線密度，以確保最佳覆蓋和低延遲。 WBG 設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，因此即使在建筑物屋頂或現(xiàn)有城市結(jié)構(gòu)等有限空間內(nèi)，也可以設(shè)計更小且更易于安裝的站。這不僅降低了安裝成本，還便于維護和網(wǎng)絡升級，確保更大的運營靈活性。

除了技術(shù)方面之外，SiC和GaN在5G基礎(chǔ)設(shè)施中的集成帶來了經(jīng)濟和環(huán)境方面的考慮。從經(jīng)濟角度來看，盡管實施基于寬帶隙的器件的初始成本高于硅器件，但在降低運營成本、提高效率和器件壽命方面的長期效益足以抵消初始投資。此外，采用WBG技術(shù)可以通過降低功耗和冷卻要求(5G基站的主要運營成本)來加速投資回報。從環(huán)境角度來看，寬帶隙器件的更高效率有助于減少第五代網(wǎng)絡的碳足跡。更低的功耗意味著更少的 CO 2與發(fā)電相關(guān)的排放，從而有助于實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展目標。

SiC和GaN在5G基礎(chǔ)設(shè)施中的應用不僅限于基站。這些材料還用于用戶設(shè)備，例如智能手機和其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。 GaN 能夠在高頻下工作且功耗低，使其成為射頻放大器和移動設(shè)備 IC 的理想選擇，有助于延長電池壽命并減少熱量積聚，從而改善用戶體驗并降低熱管理成本。與此同時，在快速充電器和無線充電設(shè)備的電源模塊中使用SiC有助于減少充電時間并提高效率，使5G移動設(shè)備更加高效和強大。

將 SiC 和 GaN 集成到 5G 系統(tǒng)中是解決下一代電信網(wǎng)絡技術(shù)和運營挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略步驟。 WBG 材料在能源效率、熱管理、減小尺寸和提高設(shè)備穩(wěn)健性方面具有顯著優(yōu)勢，使其成為支持 5G 基礎(chǔ)設(shè)施所需的高性能的理想選擇。盡管采用這些技術(shù)需要較高的初始投資，但在降低運營成本、環(huán)境可持續(xù)性和提高整體網(wǎng)絡性能方面的長期效益使 SiC 和 GaN 成為未來電信的戰(zhàn)略選擇。隨著連通性的不斷發(fā)展，這些材料的重要性可能會進一步增長，為無線通信及其他領(lǐng)域的新應用和創(chuàng)新鋪平道路。