GaN 增长因效率提升而呈爆炸式增长

电力电子系统的性能发生了重大转变，它由比硅 MOSFET 和 IGBT 更快、更小的 GaN 晶体管驱动。GaN 的性能表明效率和功率密度得到了显着提高，从而在几个新应用中实现了系统性能，这是过去的硅技术无法实现的。

GaN 晶体管比硅 MOSFET 更快、更小。GaN 的性能表明其效率和潜力得到了显着提高，从而使其可用于硅技术无法实现的多种新应用。

GaN 的优势在于其独特的材料和电子特性，这使其对电子设备和光电子应用具有吸引力。除了在高电压和电流下工作之外，GaN 晶体管的开关能力比其硅等效物快 10 倍。GaN 基高电子迁移率晶体管在微波频率下产生的能量密度也显示出 10 倍的改进因子。

“我们知道 GaN 可以以非常高的频率进行开关，因此客户喜欢提高频率。他们为什么这样做？因为当您增加开关频率时，磁性元件和电容器会变小。因此，工程师通常会将系统工作频率提高两倍或四倍，从而使电容器和电感器的尺寸减小一半或四分之一。因此，他们将所有这些放在一起：更低的损耗意味着更小的冷却系统，并且能够以更高的频率进行切换，从而减小了组件的尺寸。这就是他们如何获得小 4 倍的数字，”GaN Systems 的首席执行官 Jim Witham 说。

GaN在2020年经历了强劲的市场爆炸。在服务器市场，功率密度正在推动效率高达99%，因此GaN/SiC材料是绝对必要的。SiC（主要是 SiC 二极管）和 GaN 在开关模式电源中存在良好的竞争。此外，随着服务器电源迁移到 48V，100V GaN 与低电压硅相结合正在证明其有效性。

3.4 eV 的带隙和增加的电子迁移率使这项技术与众不同，代表了汽车市场的一个有趣选择。GaN 器件用于电动汽车充电器，其效率水平为 97%，而之前的效率结果约为 94%。设计实现往往基于两级架构中的 60 A 和 650 V 开关。 

大多数电机驱动器仍然在市场上使用硅。然而，GaN 和 SiC 正在进入电机驱动系统，无论是在驱动器本身，使用高效变频驱动器还是在有源前端 (PFC) 中。

汽车是宽带隙产品的最大市场。SiC 在 2018 年率先进入市场，但 GaN 正在迎头赶上，预计从今年开始到 2021 年将强劲增长。

“预计到 2020 年，全球超过 25% 的发电量将来自可再生能源。获取能量——无论是来自太阳能、风能、水力还是其他来源——然后通过低效电力电子设备的热损失来浪费它是愚蠢的. 借助基于 GaN 的可再生能源电子产品，该行业现在拥有可扩展且价格合理的技术解决方案，可实现高效转换和存储，”Jim Witham 说。

除了结构更简单之外，与 SiC 相比，GaN 的高可靠性迫使客户同时考虑在储能系统（日常电池充电和放电）和高效电子产品中的用途。结果是在具有多电平转换器的太阳能逆变器中获得更多可用能量和更低的拥有成本。

电池系统是未来形式的移动和节能的关键技术。电池技术的发展导致了锂离子 (Li-ion) 电池组的生产。锂离子电池在上市之前需要数年的理论和实验研究，首先是手机，然后是电动汽车。

近年来，电池在与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战是通过新的电路和测试解决方案提高自主性、高充电速度和降低维护成本。

“GaN Systems 开发新一代 GaN 功率晶体管的方法正在导致技术电源系统与能源之间的短期和‘近期’关系发生行业变革，从而创造重要的产品和系统范围的变化，”威瑟姆说。

GaN 开关器件有两种不同的类型：增强型（e 型 GaN）和级联耗尽型（d 型 GaN）。e-mode GaN 作为普通 MOSFET 工作，具有降低的栅源电压。它提供更简单的封装、低电阻、无体二极管和双向通道。

图 1：GS65011-EVBEZ 评估板 [来源：GaN Systems]

GaN Systems 实施获得专利的 Island Technology 单元布局，以实现高电流芯片性能和良率。GS65011-EVBEZ 评估板允许用户评估 GaN Systems 的 EZDrive 电路。EZDrive 是一种使用带有集成驱动器的标准 MOSFET 控制器来实现 GaN 驱动电路的低成本、简单方法。它适用于任何功率级别、任何频率以及任何 LLC 和 PFC 控制器（图 1）。

在牵引逆变器系统中，硅 IGBT 预计将在 2020 年主导市场，但大多数牵引公司正在开发基于 SiC 的牵引逆变器，以及基于大电流 GaN 开关的可用性和高可靠性的基于 GaN 的牵引逆变器（图 2 ）。

图 3：7.2 kW EV 车载充电器 (OBC) [来源：GaN Systems]

电动汽车、公共汽车和自行车正在改变我们城市交通景观的面貌。在过去的十年中，所有这些技术都在以惊人的速度发展。它们在很大程度上仍然需要插入物理插座才能充电。大多数电动汽车都需要车载充电器 (OBC) 将来自壁式插座的交流电转换为为电池充电的直流电。GaN 可实现更小、更高效且成本更低的电源系统（图 3）。

审核编辑  黄昊宇