2021 年是世界決定向氮化鎵 (GaN) 敞開大門的過渡年。EPC 首席執(zhí)行官 Alex Lidow 在 CES 周期間接受 Power Electronics News 采訪時(shí)表示，他確信 GaN 現(xiàn)在證明了其對(duì)硅的至高無上的地位?？焖俪潆娖髂壳笆?GaN 的良好消費(fèi)市場(chǎng)，但正如 Lidow 指出的那樣，快速采用 48V 的服務(wù)器的爆炸式增長(zhǎng)確保了 GaN 進(jìn)一步用于 DC/DC 解決方案。

“我們還看到 GaN 在電動(dòng)汽車應(yīng)用中的迅速采用——這可能是今年的新聞，我認(rèn)為這將是開始使用 GaN 的踏板車和無人機(jī)的故事，原因很明顯，例如尺寸更小、更輕和更高的效率，所以我認(rèn)為今年是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，”Lidow 說?！凹す饫走_(dá)已經(jīng)存在好幾年了；這不是一個(gè)新故事。但是激光雷達(dá)有什么新東西是它正在迅速橫向擴(kuò)展到許多其他市場(chǎng)，例如具有防撞系統(tǒng)的通用機(jī)器人和無人機(jī)，甚至具有防撞系統(tǒng)的簡(jiǎn)單吸塵器。另一個(gè)發(fā)展中的市場(chǎng)是汽車中的所有小型電動(dòng)機(jī)。我認(rèn)為 GaN 不會(huì)很快在牽引逆變器中被采用，但對(duì)于風(fēng)扇電機(jī)等應(yīng)用，GaN 比 MOSFET 提供的電機(jī)驅(qū)動(dòng)要安靜得多。此外，GaN 在座椅電機(jī)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向和電動(dòng)空調(diào)中占有一席之地。”

氮化鎵技術(shù)

三大趨勢(shì)正在推動(dòng)電力電子技術(shù)的發(fā)展：能源效率、電氣化和數(shù)字經(jīng)濟(jì)（數(shù)據(jù)無處不在）。這些變化需要改變電力工程師構(gòu)建系統(tǒng)的方式。因此，各地都有增長(zhǎng)的前景。數(shù)據(jù)中心、5G、工業(yè)電機(jī)、微型交通、可再生能源和電動(dòng)汽車是一些不太明顯的高增長(zhǎng)領(lǐng)域。

在快速充電器和其他消費(fèi)類應(yīng)用中，GaN 將繼續(xù)取代舊的硅，最終將接管數(shù)據(jù)中心和家用太陽(yáng)能和存儲(chǔ)應(yīng)用。電動(dòng)汽車中的車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將越來越多地使用 GaN 技術(shù)。Navitas Semiconductor 企業(yè)營(yíng)銷和投資者關(guān)系副總裁 Stephen Oliver 在 CES 開幕式上接受 Power Electronics News 采訪時(shí)表示，他相信隨著 GaN 功率水平的攀升，GaN 將蠶食早期 SiC 技術(shù)的市場(chǎng)份額。電動(dòng)汽車架構(gòu)師從“電機(jī)+車軸”轉(zhuǎn)向“輪內(nèi)”驅(qū)動(dòng)。

在 CES 上，Navitas 將展示其 GaNFast 功率 IC，集成 GaN 功率和驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)和控制，以提供簡(jiǎn)單、小型、快速和高效的性能。據(jù) Oliver 稱，該公司還將展示 GaNFast 技術(shù)如何通過經(jīng)過驗(yàn)證的 650-/800-V GaNFast 平臺(tái)的功率升級(jí)、熱增強(qiáng)版本進(jìn)行增壓，現(xiàn)在進(jìn)一步升級(jí)到 700/800 V，以應(yīng)對(duì)下一個(gè)挑戰(zhàn)- 發(fā)電太陽(yáng)能、數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)汽車快速充電應(yīng)用。除了展出的技術(shù)和解決方案，Navitas 還發(fā)起了一項(xiàng)競(jìng)賽，以贏得價(jià)值超過 60,000 美元的特斯拉 Model 3 Performance。

“除了通過更高功率和更高水平的集成和功能推進(jìn) GaN 技術(shù)外，還有一些舉措來支持設(shè)計(jì)以及與戰(zhàn)略客戶和合作伙伴的合作，”O(jiān)liver 說?！白罱墓姘ㄅc Anker 合作開發(fā)快速充電器；來自 Enphase [太陽(yáng)能]、Brusa [電動(dòng)汽車] 和 Compuware [數(shù)據(jù)中心] 的推薦信；和新的以應(yīng)用為中心的設(shè)計(jì)中心。上個(gè)月，我們宣布在中國(guó)杭州開設(shè)一個(gè)新的設(shè)計(jì)中心，致力于引入下一代 GaN 功率 IC 和相關(guān)的高效率、高功率密度系統(tǒng)，使世界各地的數(shù)據(jù)中心能夠從硅升級(jí)到氮化鎵。本月，我們?cè)谥袊?guó)上海開設(shè)了新的納微電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中心。每個(gè)設(shè)計(jì)中心都擁有一支經(jīng)驗(yàn)豐富的世界級(jí)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)，他們?cè)陔姎?、熱力?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械設(shè)計(jì)方面具有全面的能力；軟件開發(fā); 以及完整的仿真和原型設(shè)計(jì)能力。新團(tuán)隊(duì)將在全球范圍內(nèi)為數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)汽車客戶提供支持，從概念到原型再到全面認(rèn)證和大規(guī)模生產(chǎn)?！?/p>

在 CES 上，GaN Systems 展示了一些行業(yè)基于 GaN 的消費(fèi)電子解決方案，包括 GaN 充電器和 GaN 音頻以及汽車。GaN Systems 戰(zhàn)略營(yíng)銷副總裁 Paul Wiener 在接受 Power Electronics News 采訪時(shí)表示：“GaN Systems 正在展示為筆記本電腦供電的世界上最小的 65W 充電器?！拔覀兒芨吲d展示戴爾、飛利浦、哈曼等知名品牌的 GaN 充電器。

“在音頻方面，我們展示了我們的 Gen2 放大器參考設(shè)計(jì) Syng Alpha Cell 揚(yáng)聲器，它被《時(shí)代》雜志評(píng)為 2021 年 100 項(xiàng)最佳發(fā)明之一；Orchard Audio 的一體式 Starkrimson Streamer Ultra；以及帶有 Axign 控制器芯片的革命性 D 類音頻放大器，”他補(bǔ)充道?！霸谄囶I(lǐng)域，我們展示了 GaN 在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、車載充電器、牽引逆變器和互補(bǔ)汽車電源模塊中的應(yīng)用?！?/p>

應(yīng)用

Navitas 表示，除了用于筆記本電腦和移動(dòng)設(shè)備的超快速充電器外，下一代 GaN 半導(dǎo)體還可以通過節(jié)省數(shù)據(jù)中心的能源、提供高效太陽(yáng)能逆變器和加速電動(dòng)汽車的采用來“為我們的世界供電”。 .

快速充電器很好地說明了 GaN 的有效采用，這導(dǎo)致了巨大的市場(chǎng)滲透。據(jù) Navitas 稱，GaN IC 提供了當(dāng)前便攜式電子產(chǎn)品所期望的極其便攜、高功率密度、重量輕和高性能的解決方案?！癎aN 存在的原因有很多，并將在越來越多的行業(yè)中變得更加普遍，”O(jiān)liver 說?！癎aN 的運(yùn)行速度提高了 20 倍，功率提高了 3 倍，充電速度提高了 3 倍，同時(shí)應(yīng)用尺寸和重量減半。這不僅在性能、外形尺寸和重量方面具有優(yōu)勢(shì)，而且意味著 GaN 可以為可持續(xù)性和減少碳排放做出重大貢獻(xiàn)。

“例如，在數(shù)據(jù)中心，我們估計(jì) GaN IC 可以減少高達(dá) 10% 的電力使用，如果將這一改進(jìn)應(yīng)用于所有數(shù)據(jù)中心，可以節(jié)省超過 15 TWh 或每年 19 億美元的電力成本，”他補(bǔ)充說. “在可再生能源方面，GaN 半導(dǎo)體提高了光伏逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，以降低每瓦太陽(yáng)能的成本，這反過來又將加速采用。在電動(dòng)汽車中部署 GaN 的同時(shí)，GaN 使 EV 制造商能夠解決充電時(shí)間、節(jié)能、價(jià)格和續(xù)航里程等關(guān)鍵問題。我們相信，我們的技術(shù)將使電動(dòng)汽車的采用速度加快三年，從而使道路部門的 CO 2?排放量再減少 20%?！?/p>

根據(jù) Wiener 的說法，半導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)學(xué)的原理正在發(fā)揮作用：“更高的產(chǎn)量推動(dòng)了工藝知識(shí)的增加和性能的提高，并降低了成本。我們今天看到了其中的一些，使 GaN 能夠在硅 MOSFET、IGBT 和 SiC 今天占有一席之地的低功率和高功率應(yīng)用中取代其他晶體管技術(shù)?！?/p>

對(duì)于 GaN 系統(tǒng)，最引人注目的必須是 GaN 充電器?！八鼈?cè)谠S多消費(fèi)電子出版物中得到了廣泛的報(bào)道，但最重要的是，你會(huì)看到從 Apple 到 Dell 的大公司首次推出 GaN 充電器，”Wiener 說。“最有力的論據(jù)是，GaN 是滿足電力電子行業(yè)效率、尺寸和成本需求的最佳技術(shù)。GaN 的性能比硅好 13 倍，比碳化硅 [SiC] 好 6 倍?！?br />
除了快速充電器，如前所述，Lidow 將電動(dòng)汽車 (EV) 視為一個(gè)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)，在關(guān)注綠色問題時(shí)，他指出最大的問題不是電動(dòng)汽車是否 100% 環(huán)保，而是我們的環(huán)保程度如何電網(wǎng)將?！霸谀茉葱史矫妫c內(nèi)燃機(jī)相比，用電動(dòng)機(jī)移動(dòng)某物的能源效率為4：1，如果電網(wǎng)是燃煤的，可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，”他說說?！拔艺J(rèn)為這就是我們需要轉(zhuǎn)移注意力的地方。電動(dòng)車來了；我們需要通過投資可再生能源來清理電網(wǎng)。對(duì)于太陽(yáng)能，找到正確的峰值工作點(diǎn)至關(guān)重要，而 GaN 通過 DC/DC 功率點(diǎn)跟蹤器找到了合適的位置，而且在出現(xiàn) GaN 和 SiC 的逆變器中也找到了合適的位置。

下一代功率器件必須采用滿足性能、效率和價(jià)值要求的技術(shù)，而 GaN 已成為一個(gè)重要組成部分。然而，在評(píng)估 GaN 解決方案時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)問題：什么是 RF 應(yīng)用的最佳解決方案：GaN-on-Si、GaN-on-SiC 或 GaN-on-GaN。

根據(jù) Lidow 的說法，GaN 的默認(rèn)襯底是硅或 SiC。對(duì)于后者，在射頻領(lǐng)域有很多應(yīng)用?！拔艺J(rèn)為 GaN-on-GaN 沒有成功有幾個(gè)原因，”他說。“碳化硅的導(dǎo)熱性比 GaN 高得多。第二件事是 GaN 中的電子遷移率遠(yuǎn)高于碳化硅，但僅在橫向器件中。這是因?yàn)槎S電子氣。因此，如果您切換到垂直設(shè)備，您將失去該優(yōu)勢(shì)。氮化鎵晶體處于更原始的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，這或多或少是相同的。

“此外，GaN-on-Si 的生產(chǎn)方式與硅一樣，因此無需進(jìn)行如此多的投資，”他總結(jié)道?！爱?dāng)您想要 GaN-on-GaN 時(shí)，您需要進(jìn)行大量投資，因?yàn)樗且环N非常不同的生產(chǎn)工藝。那么，當(dāng)它不具備相對(duì)碳化硅的比較優(yōu)勢(shì)時(shí)，為什么要進(jìn)行如此巨額的資本投資呢？”

審核編輯 黃昊宇