【技术】2022年国际消费电子展:面向未来的GaN技术
2021年是世界决定向氮化镓敞开大门的过渡年。在CES周期间接受采访时,EPC首席执行官Alex Lidow表示,他确信GaN正在证明对硅的绝对优势。快速充电器目前是GaN的一个很好的消费市场,而服务器的爆炸性增长和48V电压的快速采用确保了GaN在DC/DC解决方案中的进一步应用。
"我们还看到GaN在电动汽车应用中迅速采用,这可能是今年的新闻,我认为这将是电动平衡车和无人机的故事,它们开始使用GaN,原因显而易见,如更小的尺寸、更轻的重量和更高的效率,所以我认为今年是一个伟大的机会,"Lidow说。“激光雷达已经存在了好几年,这不是一个新故事。但激光雷达的新颖之处在于,它正在迅速横向扩展到许多其他市场,例如带有防撞系统的通用机器人和无人机,甚至是带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小型电动机。我不认为GaN会在牵引逆变器中迅速采用,但对于风扇电机等应用,GaN使得电机驱动比MOSFET安静得多。此外,还有座椅电机,电动转向和电动空调,GaN有一席之地。”
氮化镓技术
三个大趋势正在推动电力电子的发展:能源效率、电气化和数字经济(数据无处不在)。这些变化需要电力工程师构建系统的方式发生转变。因此,各地都有增长的前景。数据中心、5G、工业电机、微移动、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,氮化镓将继续取代旧的硅,它最终将在数据中心和家庭太阳能和存储应用中占据主导地位。电动汽车的车载充电器和DC/DC转换器将越来越多地使用GaN技术。Navitas半导体公司负责企业营销和投资者关系的副总裁Stephen Oliver在CES开幕期间接受《Power Electronics News》采访时表示,他相信随着GaN功率水平的攀升,以及电动车设计师从 "电机+车桥 "转向 "轮内 "驱动,GaN将蚕食早期SiC技术的市场份额。
Oliver说:"除了通过更高的功率和更高水平的集成和功能来推进GaN技术外,还有支持设计以及与战略客户和合作伙伴合作的举措。"最近的公告包括与Anker合作开发快速充电器;Enphase[太阳能]、Brusa[电动汽车]和Compuware[数据中心]的推荐;以及新的以应用为重点的设计中心。上个月,我们宣布在中国杭州开设了一个新的设计中心,致力于将下一代氮化镓电源IC和相关的高效率、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。这个月,我们在中国上海开设了新的纳维达斯电动车设计中心。每个设计中心都有一支经验丰富的世界一流的电源系统设计团队,具有全面的电气、热和机械设计能力,软件开发以及完整的模拟和原型设计能力。数据中心和电动车客户将得到新团队在全球范围内的支持,从概念到原型,再到完全合格和大规模生产。"
应用
据Navitas介绍,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半导体还可以通过为数据中心节约能源、提供高效太阳能逆变器和加速电动汽车的采用,为 "电气化我们的世界 "提供巨大的机会。
快充是GaN有效采用的一个很好的例证,它已经带来了巨大的市场渗透率。据Navitas介绍,GaN集成电路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、低重量和高性能的解决方案。"Oliver说:"有很多原因说明GaN将继续存在,并将在越来越多的领域变得更加普遍。 "氮化镓的运行速度最高可达20倍,可实现高达3倍的功率,并提供3倍的充电速度,同时将应用尺寸和重量减半。这不仅在性能、外形尺寸和重量方面有好处,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。
"他补充说:"以数据中心为例,我们估计GaN集成电路可以减少10%的用电量,这一改进如果应用于所有的数据中心,每年可以节省超过15 TWh或19亿美元的电费。"在可再生能源方面,氮化镓半导体可以提高光伏逆变器和储能系统的效率,从而降低每瓦太阳能发电的成本,这反过来又会加速其应用。在电动汽车中部署GaN时,GaN可以让电动汽车制造商解决充电时间、节能、价格和续航等关键问题。我们相信,我们的技术将加速电动车的采用,最长可达3年,使道路部门的二氧化碳排放量再减少20%。"
半导体经济学的原则正在发挥作用。"更高的产量推动了工艺知识的增加和更高的性能,并推动了成本的降低。我们今天就看到了这一点,在硅MOSFET、IGBT和SiC目前占有一席之地的低功率和高功率应用中,GaN都可以取代其他晶体管技术。"
对于GaN系统来说,最引人注目的必须是GaN充电器。Wiener说:"许多消费电子出版物都对它们进行了广泛的报道,但最重要的是,你看到从苹果到戴尔等大公司都在推出GaN充电器。"最有力的论据是,GaN是满足电力电子行业的效率、尺寸和成本需求的最佳技术。氮化镓的性能比硅好13倍,比碳化硅好6倍。"
除了快充,Lidow认为电动汽车(EV)是一个不断增长的市场,正如前面提到的,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%绿色,而是我们的电网将如何实现绿色环保。"在能源效率方面,与内燃机相比,用电动马达移动东西的能源效率有4:1的比例,如果电网是燃煤的,将可能产生负面影响,"他说。"我认为这就是我们需要把注意力转向的地方。电动汽车即将到来,我们需要通过投资可再生能源来清理电网。对于太阳能来说,找到合适的峰值工作点是至关重要的,GaN在DC/DC功率点跟踪器中找到了合适的位置,但在逆变器中也能看到GaN和SiC的情况。有一些大型装置的中央逆变器,这些仍然是基于SiC的,然后还有一些小型逆变器,它们正在寻找进入太阳能应用的途径。"
下一代功率器件必须结合同时满足性能、效率和价值要求的技术,而氮化镓已经成为一个重要的组成部分。然而,在评估氮化镓解决方案时,出现了一个问题,即什么是射频应用的最佳解决方案。硅基氮化镓、碳化硅基氮化镓,还是氮化镓基氮化镓。
据EPC的CEO Lidow说,氮化镓的默认衬底是硅或SiC。对于后者,在射频领域有很多应用。"他说:"我不认为GaN-on-GaN会成功,原因有几个:首先,碳化硅的导热性比GaN强得多。其次,虽然氮化镓的电子迁移率比碳化硅高得多,但因为二维电子气体的存在,这只会存在于横向设备中。因此,如果你切换到一个垂直的设备,你就会失去这种优势。而这或多或少也说明了氮化镓晶体处于更原始的发展状态。
"此外,硅基氮化镓的生产就像硅一样,所以不需要投资那么多,"他总结说。"当你想拥有GaN-on-GaN时,你有大量的投资,因为它是一个非常不同的生产过程。那么,既然它与碳化硅相比不具有比较优势,为什么还要进行这种巨大的资本投资呢?"
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