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。
“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。”
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。
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。
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。
“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。”
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。
“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。”
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”。 .
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。
“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% 。”
太阳能（来源：EPC）
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。”
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。”
GaNFast（来源：Navitas）
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。
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。
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。
“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？”
备注：原文发表在EDN姐妹刊EPN上，CES 2022: GaN Technology for the Next Future
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