从PI高压氮化镓布局看电源行业创新趋势及应对策略

随着科技的迅速发展，电源行业正在经历一场深刻的变革，尤其是在AC-DC转换技术方面。近年来，宽禁带半导体材料的兴起成为了电力电子领域最为显著的变化之一。作为行业领导者，Power Integrations（PI）公司不仅敏锐地捕捉到了这一趋势，而且通过自主研发和技术创新，积极地适应了市场的变化。

借PI公司1700V氮化镓（GaN）功率器件新品发布之机，笔者有幸对该公司营销副总裁Doug Bailey进行了专访，从中了解到PI公司宽禁带器件的研发战略、应对供应链风险的策略，以及对智能家居、电机驱动、储能和汽车电子等热点市场的看法。

Power Integrations公司营销副总裁Doug Bailey

宽禁带半导体引领技术革新

Bailey认为，宽禁带半导体材料的出现是近年来电力电子领域最大的变革之一。PI通过开发自己的宽禁带技术——氮化镓来适应这一变化。“虽然碳化硅（SiC）也适用于非常高压的应用，但经过评估，我们认为，GaN在成本效益和高压开关性能上更具优势，是未来发展的更佳选择。”Bailey表示。因此，PI在GaN技术上进行了大量投资，认为这是市场的主要变化和发展方向。

另一方面，虽然未在碳化硅器件的开发上投入资源，但PI也主要提供驱动器，用于高端产品，如风力发电机和列车等领域的驱动板。

应对全球供应链的挑战

面对全球供应链的不确定性和潜在风险，PI公司采取了一系列措施来确保供应链的稳定性和灵活性。公司的晶圆制造主要在日本进行，同时也在其他地点设有生产基地。“我们的主要工厂位于日本，合作伙伴遍布日本南北。这种布局有助于分散风险，避免因自然灾害（比如地震）或政治问题导致的供应链中断。我们还在马来西亚、泰国和中国设有装配厂，所有产品至少可以在两个地点生产。此外，我们在马来西亚和香港储备了大量库存，确保即使在疫情期间也能灵活应对运输问题。我们持有远超行业平均水平的库存，以满足客户的紧急需求，官方交货期约为12周，但通常可以通过库存快速响应客户的额外订单。”Bailey表示。

电源行业的挑战

Bailey指出，随着公司的不断发展，我们必须与市场同步进化，以适应市场的变化并生存下去。“当前，我们认为，市场需求正变得越来越难以满足，例如电压要求的提升、产品质量要求的提高等。为此，我们在质量和电压方面进行了大量投资。最近推出的1,700V产品就是一个例子，它为客户提供初始质量和中期鲁棒性的保障。我们还进行了长期磨损测试，以确保产品的使用寿命。我们的质量非常出色，例如InnoMux产品，其多路输出功能在1,700V下运行的能力是市场上独一无二的。我们的FluxLink磁感耦合技术和氮化镓技术都是独一无二的。我们的目标是始终保持在行业前沿，满足客户对功能、质量和电压的新需求。”他说。

智能家居领域的机遇与挑战

智能家居市场虽然尚未迎来爆发，但其潜力巨大。PI公司看到了智能家居市场中的两个主要部分：一是智能音箱等消费类产品，二是智能家居的基础设施，包括通信设备、执行器和处理器。PI公司为前者提供了高效的InnoSwitch适配器芯片，其优秀的峰值功率性能特别适合音频产品。对于后者，Bailey指出：“无论执行器的功能是开门锁、调节空调风门还是门禁控制，都需要电源管理。此外，智能家居设备通常持续消耗电力，即使在不使用时也是如此。因此，轻载或无负载条件下的性能必须非常优秀，否则家中的上百个小负载将浪费大量电力。”因此，在这方面，PI公司专注于轻载性能、功耗和产品效率，以帮助智能家居市场实现突破。特别是InnoMux产品适用于需要多个电源轨和不同电源要求的应用，有助于减少家庭中的寄生负载，实现节能。

“首先，轻载性能是至关重要的，以避免家中产生较大的寄生负载。为了实现紧凑性，减少不必要的组件，如DC-DC转换器等，是必要的。这意味着电源供应必须非常高效，以避免散热问题。例如，智能墙壁插座需要具备AC插座和USB PD或UFCS输出。这些电源转换器在墙内无法轻松散热，因为它们处于封闭空间，缺乏空气流通和散热条件。因此，这些电源必须超级高效，GaN几乎是所有这些应用的最佳选择。”Bailey认为。

电机驱动市场的未来

无刷直流电机市场正在快速增长，大多数家电正从交流电机转向无刷直流电机。PI公司推出的BridgeSwitch-2及MotorXpert整体逆变器解决方案，不仅在硬件上实现了高效、紧凑的设计，还在软件上集成了多种功能，减少了系统中的额外组件。这些技术使得电机驱动系统在轻载条件下仍能保持高效，同时降低了成本和复杂度。

无刷直流电机市场正在快速增长，大多数家电正从交流电机转向无刷直流电机，包括空调、洗衣机、洗碗机、风扇、鼓风机和泵等多种应用。轻载性能同样重要，PI专注于研究和产品开发，推出的BridgeSwitch-2及MotorXpert整体逆变器解决方案，可确保在不使用时可以关闭电源，而无需额外组件来禁用电源供应。这样即使长时间开启也不会产生大的寄生负载，这是硬件方面的优势。

此外，PI通过软件和硬件相结合的方法消除了系统中的许多其他元器件，如传感电阻、信号调整放大器等。“所有这些都由我们集成到BridgeSwitch中的智能技术和软件来处理的。我们的方法不仅限于硬件电桥，而是结合了桥内器件的巧妙设计和我们开发的软件，可以实现单相或三相无传感器电机的驱动。”Bailey说。

储能市场的创新

能源存储是太阳能和风能等可再生能源的天然伙伴。PI公司推出的SCALE-iFlex XLT双通道即插即用栅极驱动器，专为三电平1500V直流母线ANPC拓扑结构设计。这种技术不仅提高了模块的效率和可靠性，还通过精确控制模块之间的电流共享，实现了更好的性能。PI公司的技术优势在于其高度集成的设计和精确的控制能力，使得储能系统更加高效、可靠。

能源存储是太阳能和风能等可再生能源的天然伙伴。PI认为，目前这一市场服务不足，由于其在与太阳能和风能结合时所带来的优势，该市场正处于快速增长的边缘，几乎是爆炸性增长。

PI的SCALE-iFlex XLT双通道即插即用栅极驱动器技术，旨在使用户能够以高成本效益的方式使用针对该市场的最新一代模块。新型双通道模块设计具有非常低的电感，这意味着开关可以非常高效。由于低电感特性，模块尺寸较小且非常紧凑，因此驱动器必须适应这种小尺寸，不会悬挂在模块边缘以外。从机械尺寸的角度来看，需要一个非常小的驱动器，PI的技术允许做到这一点。此外，PI的技术还允许模块之间非常准确的均流共享，SCALE-iFlex使新双通道模块设计用于并联运行。每个模块必须在同一时间开启和关闭，以获得良好的电流共享并提高可靠性。“我们的SCALE-iFlex能够实现这一点，这是我们的产品独特的特点之一，即我们能够精确控制不同的模块。”Bailey表示。

汽车电子市场的机遇

汽车应用是一个苛刻的应用领域，电压变化较大且通常高于消费级电压。PI公司推出了900V的GaN晶体管和1700V的SiC晶体管，目前正在开发用于汽车的1250V和1700V GaN晶体管，但尚未通过汽车认证。在汽车领域，PI公司的产品重点是应急、备用和辅助电源供应。“考虑到汽车的工作方式，有许多系统需要大量的电力，如空调系统、电子转向或动力转向系统、电池本身、牵引电机、座椅加热和照明等。这意味着直接连接到高压总线而不是低压总线的机会更大。”Bailey指出。PI可提供高质量、高可靠性和高电压的小型辅助电源，这些电源可以安装在汽车的各个单元内，为电子、传感、控制系统和通信系统提供必要的电力。无论是400V总线（实际为550V）还是800V总线（实际为1050V），PI都有相应的解决方案，满足汽车市场的多样化需求。

政策支持与市场响应

PI公司对全球范围内推动交通电气化的政策表示欢迎，认为这有助于减少碳排放和应对气候变化。虽然公司没有采取特定的行动来响应政策方向，但在客户层面，PI公司积极分析市场趋势，为每个系统和客户提供定制化的解决方案。这种“思考全球，行动本地”的策略使得PI公司能够快速响应市场变化，满足客户需求。

对特斯拉减少碳化硅用量的看法

特斯拉宣布将减少75%的碳化硅用量，引起了业内的广泛关注。Bailey认为，碳化硅在加工过程中存在根本的成本劣势。“如果我们看材料，无论是硅、碳、镓还是氮，这些都不是稀土元素。最难获取的是镓，但它可以从铝加工过程中免费获得。因此，这些材料并不稀缺，几乎到处都有。如果材料可用，为什么还会产生成本？答案在于加工过程。加工的成本不仅仅是机器的成本，更是能源的成本。碳化硅需要在非常高的温度下加热，并且需要长时间处理。即使是生长外延层也非常缓慢。”他解释说。

相比之下，GaN具有与碳化硅相当的性能，但成本更低。因此，PI公司专注于提高GaN的电压水平，使其能够与碳化硅竞争。“我们相信，在特定的电压和电流范围内，当GaN展现出高性能时，碳化硅的应用将显得过时。鉴于此，我们将集中资源发展GaN技术。虽然碳化硅依然是高性能材料，但其高昂的成本将限制其在许多领域的应用。”Bailey指出。

总而言之，通过不断推进GaN技术，PI公司相信GaN将在未来的电源转换市场中占据主导地位。