2021年是整个世界决定向氮化镓(GaN)敞开大门的过渡年。在2022年国际消费性电子展(CES 2022)期间，GaN业界的多位专家在接受采访时均肯定GaN如今更优于硅的能力。
2021年是整个世界决定向氮化镓(GaN)敞开大门的过渡年。在2022年国际消费性电子展(CES 2022)期间，GaN业界的多位专家在接受采访时均肯定GaN如今更优于硅的能力。
宜普电源转换公司(EPC)首席执行官Alex Lidow在CES 2022接受《Power Electronics News》采访时表示，他确信GaN现已证明其凌驾于硅之上了。采用GaN的快速充电器市场目前表现良好，但正如Lidow所指出的，快速采用48V服务器的爆炸式成长也确保了GaN进一步用于DC/DC转换解决方案。
Lidow说：“我们还看到在电动出行(e-mobility)应用中迅速采用GaN——这可能是今年的重点新闻，我认为接下来将会出现开始使用GaN的小型机车和无人机的报导，原因很明显，当然就是因为尺寸更小、更轻以及更高效率，所以我认为今年是一个很好的机会。”此外，“激光雷达(LiDAR)已经存在好几年了；这并不是什么新闻。但光达的新鲜事在于它正迅速地横向扩展到许多其他市场，例如具有防撞系统的通用机器人和无人机，甚至是具有防撞系统的简单吸尘器。另一个发展中的市场是汽车中的所有小型电动电机。我认为GaN并不会很快地在牵引逆变器中被采用，但对于风扇电机等应用，GaN提供的电机驱动比MOSFET更安静得多。此外，GaN在座椅电机、电动转向和电动空调中也占有一席之地。”
2022年国际消费性电子展(CES 2022)。(图片来源：Consumer Technology Association)
GaN技术
目前有三大趋势正在推动电力电子技术的发展：能源效率、电气化和数字经济(数据无处不在)。这些变化需要改变电力工程师如何建构系统的方式。因此，到处都可以看到成长的前景。数据中心、5G、工业电机、微移动(micromobility)、再生能源和电动车等则是一些较不明显的高成长领域。
在快速充电器和其他消费类应用中，GaN将继续取代传统的硅，最终将接管数据中心以及家用太阳能和储存应用。电动车中的车载充电器(OBC)和DC/DC转换器将越来越多地使用GaN技术。Navitas Semiconductor企业营销和投资者关系副总裁Stephen Oliver在CES开幕式时表示，他坚信随着GaN功率级的攀升，GaN将蚕食早期SiC技术的市占率。电动车架构师也将从“电机+车轴”转向“轮内”驱动。
在CES上，Navitas展示其GaNFast功率IC，整合了GaN功率和驱动以及保护和控制，以提供简单、小型、快速和高效的性能。Oliver还透露了GaNFast技术如何透过经验证的650/800V GaNFast平台之功率升级、热增强版本进行增压，现在进一步升级到700/800V，以因应下一代太阳能、数据中心和电动车快速充电应用的挑战。除了展出的技术和解决方案，Navitas还发起了一项竞赛，以赢得价值超过60,000美元的特斯拉(Tesla) Model 3 Performance。
Oliver说：“除了透过更高功率和更高度的整合及功能来推进GaN技术，我们还有支持设计以及与策略客户和合作伙伴合作的举措。最近的新闻发布包括与Anker合作开发快速充电器；来自Enphase （太阳能）、Brusa （电动车）和Compuware （数据中心）的证言；还有以新应用为中心的设计中心。上个月，我们宣布在中国杭州开设一个新的设计中心，致力于导入下一代GaN功率IC和相关的高效、高功率密度系统，使世界各地的数据中心能够从硅升级到GaN。本月，我们在上海成立了新的Navitas电动车设计中心。每个设计中心都拥有一支经验丰富的世界级电力系统设计师团队，他们在电气、热力和机械设计方面具有全面的能力——包括软件开发以及完整的仿真和原型设计能力。新团队将为全球的数据中心和电动车客户提供支持，从概念到原型再到全面认证和大规模生产。”
在CES上，GaN Systems展示了一些业界基于GaN的消费电子解决方案，包括GaN充电器和GaN音频以及汽车。GaN Systems策略营销副总裁Paul Wiener在受访时表示：“GaN Systems展示了世界上最小的65W充电器，可为笔记本电脑供电。”
他补充道：“我们很高兴展示在戴尔(Dell)、飞利浦(Philips)、哈曼(Harman)等知名品牌商品中所用的GaN充电器。在音频方面，我们展示了Gen2放大器参考设计Syng Alpha Cell扬声器，它还被《时代》(Time)杂志评为2021年100项最佳发明之一；Orchard Audio的多合一Starkrimson Streamer Ultra；以及带有Axign控制器芯片的革命性D类音频放大器。而在汽车领域，我们展示了GaN在DC/DC转换器、车载充电器、牵引逆变器和互补汽车电源模块中的应用。”
应用
Navitas表示，除了用于笔记本电脑和移动设备的超快速充电器外，下一代GaN半导体的重大机会在于透过节省数据中心的能源、提供高效太阳能逆变器以及加速电动车的采用，从而“为我们的世界供电”(Electrify Our World)。
快速充电器适于用来说明GaN如何有效地被采用，并因而导致巨大的市场渗透。据Navitas称，GaN IC提供了当前可携式电子产品所期望的极其可携、高功率密度、重量轻和高性能的解决方案。Oliver说：“GaN存在此市场的原因有很多，而且也将在越来越多的领域中变得更加普遍。GaN的运行速度提高了20倍，功率提高了3倍，充电速度提高了3倍，同时应用尺寸和重量减半。这不仅在性能、外形尺寸和重量方面具有优势，也意味着GaN能够为可持续性和减少碳排放做出重大贡献。”
“例如在数据中心，我们估计GaN IC可以减少高达10%的电力使用，如果将这一改进应用于所有数据中心，可以节省超过15TWh或每年19亿美元的电力成本，”他补充说。“针对再生能源，GaN半导体提高了光伏逆变器和储能系统的效率，以降低每瓦太阳能的成本，这反过来又将加速GaN的采用。在电动车中部署GaN的同时，GaN使让EV制造商能够解决充电时间、节能、价格和续航里程等关键问题。我们相信，我们的技术将使电动车的采用速度加快三年，从而使道路部门的CO2排放量再减少20%。”
太阳能。(图片来源：EPC)
根据Wiener的说法，半导体经济学的原理正在发挥作用。Wiener说：“更高的产量推动了工艺知识的增加和性能的提高，并降低了成本。我们今天看到了其中的一些，使GaN能够在硅MOSFET、IGBT和SiC目前占有一席之地的低功率和高功率应用中取代其他晶体管技术。”
对于GaN系统，最引人注目的要算是GaN充电器了。“它们在许多消费电子出版品中得到了广泛的报导，但最重要的是，你会看到从苹果(Apple)到Dell等大公司都首次推出了GaN充电器，”Wiener说。“最有力的论据是，GaN是满足电力电子产业对于效率、尺寸和成本需求的最佳技术。GaN的性能比硅好13倍，也比碳化硅(SiC)好6倍。”
Navitas GaNFast Power IC及其相关应用。(图片来源：Navitas)
除了快速充电器，如前所述，Lidow将电动车视为一个不断成长中的市场，在关注绿色议题时，他指出最大的问题不是电动车是否100%环保，而是我们电网的绿化程度。“在能源效率方面，与内燃机相比，用电动电机移动物品的能源效率为4：1，而如果电网是燃煤的，可能会产生负面影响。”他说：“我认为这就是我们需要转移注意力的地方。电动车来了；我们必须透过投资再生能源来整理电网。对于太阳能，找到正确的峰值工作点至关重要；GaN透过DC/DC功率点追踪器找到了应用所在，而且也在使用GaN和SiC的逆变器中找到了合适的应用位置。目前采用中央逆变器的一些大型设备多半基于SiC，但还有一些小型逆变器正在寻找进入太阳能应用的途径。”
下一代功率组件必须采用满足性能、效率和价值要求的技术，而GaN正成为一个重要组成部份。然而，在评估GaN解决方案时，出现了一个问题：什么是射频(RF)应用的最佳解决方案：GaN-on-Si、GaN-on-SiC或GaN-on-GaN？
根据Lidow的说法，GaN的初始基底是硅或SiC。目前SiC在RF领域已有很多应用。他说：“我认为GaN-on-GaN尚未成功有几个原因。SiC的导热性比GaN高得多。第二件事是GaN中的电子迁移率远高于SiC，但仅在横向组件中。”这是因为二维电子气。因此，如果您切换到垂直组件，将会失去这一优势。GaN晶体管处于更原始的发展状态，这或多或少是相同的。
“此外，GaN-on-Si的生产方式与硅一样，因此无需投资太多。”他总结说：“当您想要GaN-on-GaN时，您需要进行大量投资，因为它是一种非常不同的生产工艺。那么，如果它并没有比SiC具备更多优势时，为什么要进行如此巨额的资本投资呢？”
(参考原文：CES 2022 GaN Technology for the Next Future，by Bill Schweber)
您可能感兴趣
