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预见GaN技术未来:除了取代硅,还将蚕食早期SiC市场

时间:2022-02-25 05:19:55 作者:Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News & 阅读:
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。
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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)

本文同步刊登于EDN Taiwan 20222杂志

责编:Luffy
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