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CES 2022:面向未来的 GaN 技术

2022-01-10 14:29:16 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
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构建系统的方式。因此,各地都有增长的前景。数据中心、5G、工业电机、微型交通、可再生能源和电动汽车是一些不太明显的高增长领域。

2021 年是世界决定向氮化镓 (GaN) 敞开大门的过渡年。EPC 首席执行官 Alex Lidow 在 CES 周期间接受 Power Electronics News 采访时表示,他确信 GaN 现在证明了其对硅的至高无上的地位。快速充电器目前是 GaN 的良好消费市场,但正如 Lidow 指出的那样,快速采用 48V 的服务器的爆炸式增长确保了 GaN 进一步用于 DC/DC 解决方案。a8Pednc

“我们还看到 GaN 在电动汽车应用中的迅速采用——这可能是今年的新闻,我认为这将是开始使用 GaN 的滑板车和无人机的故事,原因很明显,例如尺寸更小、更轻和更高的效率,所以我认为今年是一个很好的机会,”Lidow 说。“激光雷达已经存在好几年了;这不是一个新故事。但是激光雷达有什么新东西是它正在迅速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机。我认为 GaN 不会很快在牵引逆变器中被采用,但对于风扇电机等应用,GaN 比 MOSFET 提供的电机驱动要安静得多。此外,GaN 在座椅电机、电动转向和电动空调中占有一席之地。”a8Pednc

GaN 技术

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构建系统的方式。因此,各地都有增长的前景。数据中心、5G、工业电机、微型交通、可再生能源和电动汽车是一些不太明显的高增长领域。a8Pednc

在快速充电器和其他消费类应用中,GaN 将继续取代旧的硅,最终将接管数据中心和家用太阳能和存储应用。电动汽车中的车载充电器和 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 开幕式上接受 Power Electronics News 采访时表示,他坚信随着 GaN 功率水平的攀升,GaN 将蚕食早期 SiC 技术的市场份额。电动汽车架构师从“电机+车轴”转向“轮内”驱动。a8Pednc

在 CES 上,Navitas 将展示其 GaNFast 功率 IC,集成 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。据 Oliver 称,该公司还将展示 GaNFast 技术如何通过经过验证的 650-/800-V GaNFast 平台的功率升级、热增强版本进行增压,现在进一步升级到 700/800 V,以应对下一个挑战- 发电太阳能、数据中心和电动汽车快速充电应用。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 Model 3 Performance。a8Pednc

“除了通过更高功率和更高水平的集成和功能来推进 GaN 技术,还有支持设计以及与战略客户和合作伙伴合作的举措,”Oliver 说。“最近的公告包括与 Anker 合作开发快速充电器;来自 Enphase [太阳能]、Brusa [电动汽车] 和 Compuware [数据中心] 的推荐信;和新的以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,致力于引入下一代 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氮化镓。本月,我们在中国上海开设了新的纳微电动汽车设计中心。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;软件开发; 以及完整的仿真和原型设计能力。新团队将在全球范围内为数据中心和电动汽车客户提供支持,从概念到原型再到全面认证和大规模生产。”a8Pednc

在 CES 上,GaN Systems 展示了一些行业基于 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 战略营销副总裁 Paul Wiener 在接受 Power Electronics News 采访时表示:“GaN Systems 正在展示为笔记本电脑供电的世界上最小的 65W 充电器。“我们很高兴展示戴尔、飞利浦、哈曼等知名品牌的 GaN 充电器。a8Pednc

“在音频方面,我们展示了我们的 Gen2 放大器参考设计 Syng Alpha Cell 扬声器,它被《时代》杂志评为 2021 年 100 项最佳发明之一;Orchard Audio 的一体式 Starkrimson Streamer Ultra;以及带有 Axign 控制器芯片的革命性 D 类音频放大器,”他补充道。“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。”a8Pednc

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 半导体还可以通过节省数据中心的能源、提供高效太阳能逆变器和加速电动汽车的采用来“为我们的世界供电”。 .a8Pednc

快速充电器很好地说明了 GaN 的有效采用,这导致了巨大的市场渗透。据 Navitas 称,GaN IC 提供了当前便携式电子产品所期望的极其便携、高功率密度、重量轻和高性能的解决方案。“GaN 存在的原因有很多,并将在越来越多的行业中变得更加普遍,”Oliver 说。“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,而且意味着 GaN 可以为可持续性和减少碳排放做出重大贡献。a8Pednc

“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 15 TWh 或每年 19 亿美元的电力成本,”他补充说. “在可再生能源方面,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,这反过来又将加速采用。在电动汽车中部署 GaN 的同时,GaN 使 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汽车的采用速度加快三年,从而使道路部门的 CO 2 排放量再减少 20% 。”a8Pednc

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太阳能(来源:EPC)a8Pednc

根据 Wiener 的说法,半导体经济学的原理正在发挥作用:“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 今天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。”a8Pednc

对于 GaN 系统,最引人注目的必须是 GaN 充电器。“它们在许多消费电子出版物中得到了广泛的报道,但最重要的是,你会看到从 Apple 到 Dell 的大公司首次推出 GaN 充电器,”Wiener 说。“最有力的论据是,GaN 是满足电力电子行业效率、尺寸和成本需求的最佳技术。GaN 的性能比硅好 13 倍,比碳化硅 [SiC] 好 6 倍。”a8Pednc

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GaNFast(来源:Navitas)a8Pednc

除了快速充电器,如前所述,Lidow 将电动汽车 (EV) 视为一个不断增长的市场,在关注绿色问题时,他指出最大的问题不是电动汽车是否 100% 环保,而是我们电网的环保程度如何。“在能源效率方面,与内燃机相比,用电动机移动某物的能源效率为4:1,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;我们需要通过投资可再生能源来清理电网。对于太阳能,找到正确的峰值工作点至关重要,而 GaN 通过 DC/DC 功率点跟踪器找到了合适的位置,而且在出现 GaN 和 SiC 的逆变器中也找到了合适的位置。a8Pednc

下一代功率器件必须采用满足性能、效率和价值要求的技术,而 GaN 已成为一个重要组成部分。然而,在评估 GaN 解决方案时,出现了一个问题:什么是 RF 应用的最佳解决方案:GaN-on-Si、GaN-on-SiC 或 GaN-on-GaN。a8Pednc

根据 Lidow 的说法,GaN 的默认衬底是硅或 SiC。对于后者,在射频领域有很多应用。“我认为 GaN-on-GaN 没有成功有几个原因,”他说。“碳化硅的导热性比 GaN 高得多。第二件事是 GaN 中的电子迁移率远高于碳化硅,但仅在横向器件中。这是因为二维电子气。因此,如果您切换到垂直设备,您将失去该优势。氮化镓晶体处于更原始的发展状态,这或多或少是相同的。a8Pednc

“此外,GaN-on-Si 的生产方式与硅一样,因此无需进行如此多的投资,”他总结道。“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,当它不具备相对碳化硅的比较优势时,为什么要进行如此巨额的资本投资呢?”a8Pednc

备注:原文发表在EDN姐妹刊EPN上,CES 2022: GaN Technology for the Next Futurea8Pednc

责编:Echo
Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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