由于GaN晶體管具有極高的電子遷移率，所以替代硅基FET只是時(shí)間問題。與基于硅的晶體管相比，這也使GaN具有較小的導(dǎo)通電阻和更快的開關(guān)速度。

 

GaN晶體管的驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)MOSFET相同，這使得它們很容易集成到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中。所以GaN在市場(chǎng)上很受追捧，電源、音頻放大器、數(shù)據(jù)中心和實(shí)現(xiàn)GaN的汽車系統(tǒng)比以往任何時(shí)候都要多。

 

GaN Systems首席執(zhí)行官Jim Witham闡述了他對(duì)GaN未來的預(yù)測(cè)，以及為什么2021年可能會(huì)推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步普及。

 

 

GaN似乎已經(jīng)在從快速充電器到數(shù)據(jù)中心的許多關(guān)鍵行業(yè)中取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。雖然GaN并不是所有電源應(yīng)用的解決方案，但根據(jù)Witham的說法，它的“最佳狀態(tài)”在60v至1200 V范圍內(nèi)。

 

Witham：“硅適用于低電壓(60伏及以下)和低功率，GaN適用于中電壓(60 - 1200伏)和中等范圍功率，SiC和igbt適用于高電壓(1200伏及以上)和高功率。”

 

 

2020年手機(jī)、平板電腦和手持游戲設(shè)備等應(yīng)用程序的充電器和適配器市場(chǎng)是干涉獵最廣泛的領(lǐng)域。

 

這一需求的直接原因是快速充電的廣泛推動(dòng)，尤其是來自亞洲制造商?？焖俪潆娦枰叩墓β始?jí)別，這通常意味著更大的設(shè)備體積。而GaN正好以更小的充電器和更高的功率級(jí)滿足了這一市場(chǎng)需求。

 

Witham表示:“華為、Oppo和小米都在大力推動(dòng)快速充電。GaN Systems預(yù)計(jì)，2021年，隨著GaN成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其他知名品牌也將開始將自己的GaN充電器推向市場(chǎng)。

 

 

Witham講述了他在硅放大器和GaN放大器之間的“聲音關(guān)閉”的經(jīng)驗(yàn)。起初，他擔(dān)心差別不會(huì)太大。“在音效上不是一個(gè)級(jí)別，它讓你以為是在聽現(xiàn)場(chǎng)音樂會(huì)。”

 

對(duì)小而高質(zhì)量的低功率音頻設(shè)備不斷增長(zhǎng)的需求使得D類音頻放大器成為設(shè)計(jì)師的最愛。D類放大器依靠MOSFET輸出級(jí)，依靠這些晶體管的快速開關(guān)速度來精確地再現(xiàn)音頻波形。

 

所謂D類放大器，是通過控制開關(guān)單元的ON/OFF，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的放大器。D類放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來。D類放大器在過去的幾代產(chǎn)品中，已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者極大地改善了系統(tǒng)的耐用性，并提高了其音頻質(zhì)量。

 

GaN超越硅的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它具有極高的開關(guān)速度，有時(shí)比硅基FET快1000倍。GaN Systems的一份白皮書量化了這種卓越的音頻質(zhì)量，顯示基于GaN的D類放大器可以產(chǎn)生0.004%的總諧波失真(THD)，而硅產(chǎn)品為0.015%。

 

Witham:“這樣的性能是最接近完美晶體管的了。”由于尺寸的減小和卓越的音頻質(zhì)量，GaN Systems預(yù)測(cè)，在未來的一年里，許多世界知名的音頻品牌將生產(chǎn)基于GaN的放大器。

 

 

從GaN Systems的角度來看，GaN對(duì)于日益負(fù)擔(dān)過重的數(shù)據(jù)中心來說是一個(gè)強(qiáng)有力的支柱，隨著越來越多的人居家辦公，數(shù)據(jù)中心正在管理前所未有的電力消耗和數(shù)據(jù)密度。GaN晶體管可以在三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域做出顯著改進(jìn):

 

1.交直流電源，高壓進(jìn)入服務(wù)器機(jī)架，必須降壓才能將電源分配給所有服務(wù)器

 

2.服務(wù)器主板上的DC-DC轉(zhuǎn)換器，將直流電壓(無論是12v、24v還是48v)降至較低的芯片級(jí)電壓

 

3.主電源斷電時(shí)的備用電源

 

GaN Systems最近宣布了一種絕緣金屬基板(IMS3)平臺(tái)，將用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。

 

所以，實(shí)現(xiàn)更小更高效的電源供應(yīng)將允許數(shù)據(jù)中心在機(jī)架上放置更多的服務(wù)器，提高每平方米的性能。

 

 

GaN Systems認(rèn)為最有前途的領(lǐng)域是汽車行業(yè)。事實(shí)上，去年豐田汽車展上就宣布了一款“全GaN”(all-GaN)汽車。隨著國(guó)際政府和公眾對(duì)電動(dòng)汽車的要求越來越高，設(shè)計(jì)師就要在先進(jìn)的電池技術(shù)之外，集成更小、功率更大的系統(tǒng)。

 

與硅MOSFET相比，基于GaN的技術(shù)的激光雷達(dá)，激光信號(hào)可以更高的速度發(fā)射。

 

對(duì)于GaN HEMT通用可靠性標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)，這需要GaN系統(tǒng)的驗(yàn)證，該公司發(fā)布了AutoQual+程序，擴(kuò)展了AEC-Q的測(cè)試序列。

 

在Witham看來，2021年就是“GaN晶體管將在各行各業(yè)到處奔跑”。

 

 

據(jù)GaN Systems和許多其他半導(dǎo)體制造商稱，早期圍繞GaN的擔(dān)憂已不再迫在眉睫。

 

通過GaN省下的錢超過一千瓦。隨著銷量的上升，成本下降了。然而，除了價(jià)格之外，為了支持那些仍在適應(yīng)這種快速M(fèi)OSFET的設(shè)計(jì)師，供應(yīng)商還提供了可靠的技術(shù)文件——白皮書、應(yīng)用說明、參考設(shè)計(jì)等等。

 

談到設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)曲線，Witham幽默地說:“GaN有點(diǎn)像法拉利;想要駕馭它，你得先學(xué)會(huì)怎么開它。”

 

GaN另一大優(yōu)勢(shì)是它將產(chǎn)生的長(zhǎng)期環(huán)境影響。Witham :“我們正看到這些小型、輕量級(jí)、非常高效的電力電子產(chǎn)品問世……(而且)它們將使地球變得更美好。”

 

GaN Systems 將GaN作為完成這項(xiàng)任務(wù)的基本構(gòu)件，下面一起看看兩個(gè)重點(diǎn)玩家對(duì)于GaN的基本布局。

 

考慮到電動(dòng)汽車，ST收購(gòu)了GaN pioneer的大部分股份(ExaGaN)。ExaGaN的外延工藝、產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)將拓寬并推進(jìn)意法半導(dǎo)體的汽車、工業(yè)和消費(fèi)用功率GaN的開發(fā)規(guī)劃和業(yè)務(wù)。ExaGaN將繼續(xù)執(zhí)行現(xiàn)有產(chǎn)品開發(fā)規(guī)劃，意法半導(dǎo)體將為其部署產(chǎn)品提供支持。

 

ST對(duì)法國(guó)GaN創(chuàng)新者ExaGaN的新投資，將為其快速發(fā)展的汽車電子市場(chǎng)開發(fā)產(chǎn)品提供途徑。

 

GaN和SiC一樣，是一種寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體。WBG設(shè)備相對(duì)于硅設(shè)備的優(yōu)勢(shì)是，它們可以在比傳統(tǒng)硅設(shè)備更高的速度下處理更多的功率。雖然碳化硅是一種成熟的技術(shù)，GaN比碳化硅更節(jié)能，而且它可以在更高的頻率下工作，增強(qiáng)了這一重要優(yōu)勢(shì)。

 

ST致力于為電力電子產(chǎn)品提供節(jié)能產(chǎn)品和解決方案。從1996年起，ExaGaN公司就一直在考慮考慮擴(kuò)大市場(chǎng)份額，購(gòu)買ExaGaN代表了對(duì)ExaGaN堅(jiān)定承諾的延續(xù)。

 

ExaGaN是一家法國(guó)小公司，致力于GaN技術(shù)。旨在“加速采用功率轉(zhuǎn)換99%以上的效率。”他們的旗艦產(chǎn)品是G-FET和G-DRIVE IC，它們的設(shè)計(jì)便于集成。

 

ST已經(jīng)是SiC領(lǐng)域的重要參與者。它之前收購(gòu)Norstel以及與Wolfspeed合作。

 

但ST對(duì)GaN也并不陌生。ST曾于2018年與MACOM合作，為后者的射頻應(yīng)用開發(fā)GaN晶片。同年，ST和Leti合作開發(fā)GaN功率開關(guān)設(shè)備。

 

最近，ST與臺(tái)積電合作開發(fā)GaN技術(shù)，并將其推向市場(chǎng)。由于臺(tái)積電是全球最大的半導(dǎo)體代工，雙方的合作意義重大。

 

雖然他們目前不提供ST品牌的GaN設(shè)備，但至少?gòu)?019年4月起，他們的網(wǎng)站上就有一個(gè)GaN技術(shù)頁面，顯示出他們對(duì)GaN戰(zhàn)略的預(yù)謀已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了。

 

新的GaN FET家族，包括一個(gè)集成柵驅(qū)動(dòng)器，據(jù)說將車載充電器和工業(yè)電源的功率密度提高了一倍。

 

在全電動(dòng)汽車和完全自動(dòng)駕駛汽車的努力下，今天的汽車比以往任何時(shí)候都集成了更多的電力系統(tǒng)。隨著這一需求的出現(xiàn)，電氣工程師需要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都可行的新設(shè)計(jì)。從電氣的角度來看，汽車設(shè)計(jì)中最大的挑戰(zhàn)之一是設(shè)計(jì)出重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的系統(tǒng)，這樣汽車的性能就不會(huì)受到影響，同時(shí)還要優(yōu)先考慮抗高壓的耐久性。為此，許多制造商轉(zhuǎn)向的解決方案是GaN FET。

 

TI是致力于汽車電氣化的一家公司。TI發(fā)布的一款全新GaN晶體管系列，可減少電路板空間，提高汽車電氣系統(tǒng)的功率效率。

 

新的器件包含650 V和600 V GaN FET。這些設(shè)備提供不同的優(yōu)勢(shì)，但都受益于增加了設(shè)備上的功能，集成了2.2 MHz門禁驅(qū)動(dòng)器。

 

獨(dú)特的是，這些芯片還提供所謂的“理想二極管模式”，在這種模式下，器件通過實(shí)現(xiàn)死區(qū)控制來減少第三象限損耗。

 

 

與現(xiàn)有的SiC解決方案相比，LMG3525R030-Q1通過集成芯片上的驅(qū)動(dòng)程序，據(jù)說可以將電動(dòng)汽車車載充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸減少50%。而節(jié)省電路板空間將使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)延長(zhǎng)電池壽命，增加系統(tǒng)可靠性，并降低設(shè)計(jì)成本。根據(jù)TI的說法，這種集成可以幫助工程師消除超過10個(gè)離散解決方案通常需要的組件。