GaN 增長(zhǎng)因效率提升而呈爆炸式增長(zhǎng)

電力電子系統(tǒng)的性能發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，它由比硅 MOSFET 和 IGBT 更快、更小的 GaN 晶體管驅(qū)動(dòng)。GaN 的性能表明效率和功率密度得到了顯著提高，從而在幾個(gè)新應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能，這是過(guò)去的硅技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

GaN 晶體管比硅 MOSFET 更快、更小。GaN 的性能表明其效率和潛力得到了顯著提高，從而使其可用于硅技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的多種新應(yīng)用。

GaN 的優(yōu)勢(shì)在于其獨(dú)特的材料和電子特性，這使其對(duì)電子設(shè)備和光電子應(yīng)用具有吸引力。除了在高電壓和電流下工作之外，GaN 晶體管的開關(guān)能力比其硅等效物快 10 倍。GaN 基高電子遷移率晶體管在微波頻率下產(chǎn)生的能量密度也顯示出 10 倍的改進(jìn)因子。

“我們知道 GaN 可以以非常高的頻率進(jìn)行開關(guān)，因此客戶喜歡提高頻率。他們?yōu)槭裁催@樣做？因?yàn)楫?dāng)您增加開關(guān)頻率時(shí)，磁性元件和電容器會(huì)變小。因此，工程師通常會(huì)將系統(tǒng)工作頻率提高兩倍或四倍，從而使電容器和電感器的尺寸減小一半或四分之一。因此，他們將所有這些放在一起：更低的損耗意味著更小的冷卻系統(tǒng)，并且能夠以更高的頻率進(jìn)行切換，從而減小了組件的尺寸。這就是他們?nèi)绾潍@得小 4 倍的數(shù)字，”GaN Systems 的首席執(zhí)行官 Jim Witham 說(shuō)。

GaN在2020年經(jīng)歷了強(qiáng)勁的市場(chǎng)爆炸。在服務(wù)器市場(chǎng)，功率密度正在推動(dòng)效率高達(dá)99%，因此GaN/SiC材料是絕對(duì)必要的。SiC（主要是 SiC 二極管）和 GaN 在開關(guān)模式電源中存在良好的競(jìng)爭(zhēng)。此外，隨著服務(wù)器電源遷移到 48V，100V GaN 與低電壓硅相結(jié)合正在證明其有效性。

3.4 eV 的帶隙和增加的電子遷移率使這項(xiàng)技術(shù)與眾不同，代表了汽車市場(chǎng)的一個(gè)有趣選擇。GaN 器件用于電動(dòng)汽車充電器，其效率水平為 97%，而之前的效率結(jié)果約為 94%。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)往往基于兩級(jí)架構(gòu)中的 60 A 和 650 V 開關(guān)。

大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器仍然在市場(chǎng)上使用硅。然而，GaN 和 SiC 正在進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)論是在驅(qū)動(dòng)器本身，使用高效變頻驅(qū)動(dòng)器還是在有源前端 (PFC) 中。

汽車是寬帶隙產(chǎn)品的最大市場(chǎng)。SiC 在 2018 年率先進(jìn)入市場(chǎng)，但 GaN 正在迎頭趕上，預(yù)計(jì)從今年開始到 2021 年將強(qiáng)勁增長(zhǎng)。

“預(yù)計(jì)到 2020 年，全球超過(guò) 25% 的發(fā)電量將來(lái)自可再生能源。獲取能量——無(wú)論是來(lái)自太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力還是其他來(lái)源——然后通過(guò)低效電力電子設(shè)備的熱損失來(lái)浪費(fèi)它是愚蠢的. 借助基于 GaN 的可再生能源電子產(chǎn)品，該行業(yè)現(xiàn)在擁有可擴(kuò)展且價(jià)格合理的技術(shù)解決方案，可實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，”Jim Witham 說(shuō)。

除了結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單之外，與 SiC 相比，GaN 的高可靠性迫使客戶同時(shí)考慮在儲(chǔ)能系統(tǒng)（日常電池充電和放電）和高效電子產(chǎn)品中的用途。結(jié)果是在具有多電平轉(zhuǎn)換器的太陽(yáng)能逆變器中獲得更多可用能量和更低的擁有成本。

電池系統(tǒng)是未來(lái)形式的移動(dòng)和節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。電池技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了鋰離子 (Li-ion) 電池組的生產(chǎn)。鋰離子電池在上市之前需要數(shù)年的理論和實(shí)驗(yàn)研究，首先是手機(jī)，然后是電動(dòng)汽車。

近年來(lái)，電池在與其尺寸和重量相比可以提供多少能量方面的效率已大大提高。提供高性能所需的主要挑戰(zhàn)是通過(guò)新的電路和測(cè)試解決方案提高自主性、高充電速度和降低維護(hù)成本。

“GaN Systems 開發(fā)新一代 GaN 功率晶體管的方法正在導(dǎo)致技術(shù)電源系統(tǒng)與能源之間的短期和‘近期’關(guān)系發(fā)生行業(yè)變革，從而創(chuàng)造重要的產(chǎn)品和系統(tǒng)范圍的變化，”威瑟姆說(shuō)。

GaN 開關(guān)器件有兩種不同的類型：增強(qiáng)型（e 型 GaN）和級(jí)聯(lián)耗盡型（d 型 GaN）。e-mode GaN 作為普通 MOSFET 工作，具有降低的柵源電壓。它提供更簡(jiǎn)單的封裝、低電阻、無(wú)體二極管和雙向通道。

圖 1：GS65011-EVBEZ 評(píng)估板 [來(lái)源：GaN Systems]

GaN Systems 實(shí)施獲得專利的 Island Technology 單元布局，以實(shí)現(xiàn)高電流芯片性能和良率。GS65011-EVBEZ 評(píng)估板允許用戶評(píng)估 GaN Systems 的 EZDrive 電路。EZDrive 是一種使用帶有集成驅(qū)動(dòng)器的標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn) GaN 驅(qū)動(dòng)電路的低成本、簡(jiǎn)單方法。它適用于任何功率級(jí)別、任何頻率以及任何 LLC 和 PFC 控制器（圖 1）。

在牽引逆變器系統(tǒng)中，硅 IGBT 預(yù)計(jì)將在 2020 年主導(dǎo)市場(chǎng)，但大多數(shù)牽引公司正在開發(fā)基于 SiC 的牽引逆變器，以及基于大電流 GaN 開關(guān)的可用性和高可靠性的基于 GaN 的牽引逆變器（圖 2 ）。

圖 3：7.2 kW EV 車載充電器 (OBC) [來(lái)源：GaN Systems]

電動(dòng)汽車、公共汽車和自行車正在改變我們城市交通景觀的面貌。在過(guò)去的十年中，所有這些技術(shù)都在以驚人的速度發(fā)展。它們?cè)诤艽蟪潭壬先匀恍枰迦胛锢聿遄拍艹潆姟４蠖鄶?shù)電動(dòng)汽車都需要車載充電器 (OBC) 將來(lái)自壁式插座的交流電轉(zhuǎn)換為為電池充電的直流電。GaN 可實(shí)現(xiàn)更小、更高效且成本更低的電源系統(tǒng)（圖 3）。

審核編輯 黃昊宇