氮化鎵（GaN）技術(shù)推動(dòng)電源管理不斷革新

　　Ahmad Bahai，德州儀器(TI)公司首席技術(shù)官

　　我們可以想象一下：當(dāng)你駕駛著電動(dòng)汽車行駛在馬路上，電動(dòng)車充電設(shè)備的充電效率可以達(dá)到你目前所用充電效率的兩倍;僅有一半大小的電機(jī)驅(qū)動(dòng)比目前應(yīng)用的效率更高;筆記本電腦電源適配器小到可以放進(jìn)口袋。

　　電子設(shè)備的未來取決于電源管理創(chuàng)新。

　　或者設(shè)想一下：每個(gè)簡(jiǎn)單的互聯(lián)網(wǎng)搜索查詢使用的電力足以灼燒一個(gè)60瓦燈泡約17秒?，F(xiàn)在乘上每天發(fā)生的數(shù)十億次的查詢，便可以獲得數(shù)十億千瓦時(shí)的能耗。

　　更有效地管理能源并占用更小空間，所面臨的挑戰(zhàn)絲毫沒有減弱。氮化鎵(GaN)等新技術(shù)有望大幅改進(jìn)電源管理、發(fā)電和功率輸出的諸多方面。預(yù)計(jì)到2030年，電力電子領(lǐng)域?qū)⒐芾泶蠹s80%的能源，而2005年這一比例僅為30%1。這相當(dāng)于30億千瓦時(shí)以上的節(jié)能。這些電力足以為30多萬個(gè)家庭提供一年的電量。

　　任何可以直接從電網(wǎng)獲得電力的設(shè)備(從智能手機(jī)充電器到數(shù)據(jù)中心)，或任何可以處理高達(dá)數(shù)百伏高電壓的設(shè)備，均可受益于氮化鎵等技術(shù)，從而提高電源管理系統(tǒng)的效率和規(guī)模。(白皮書下載：GaN將能效提高到一個(gè)新的水平。)

　　尋找理想開關(guān)

　　任何電源管理系統(tǒng)的核心是開關(guān)，可以打開和關(guān)閉電源。它就像墻上的照明開關(guān)一樣，但是速度會(huì)數(shù)百萬倍地快，尺寸會(huì)數(shù)百萬倍地小。效率(低損耗)、可靠性、集成度和可負(fù)擔(dān)性是半導(dǎo)體電源開關(guān)的關(guān)鍵屬性。

　　我們不斷地尋找理想的開關(guān)。理想的開關(guān)可以以極少“導(dǎo)通”電阻來導(dǎo)通電流，并在盡可能少的漏電流的情況下阻斷電流，同時(shí)阻斷關(guān)斷狀態(tài)下其端子上的明顯電壓。較高的開關(guān)頻率也意味著工程師可以設(shè)計(jì)出更小的整體功率變換解決方案。最重要的是，半導(dǎo)體開關(guān)必須可靠且能夠經(jīng)濟(jì)高效地制造。

　　幾十年來，硅電源開關(guān)的功效、開關(guān)速度和可靠性都在不斷提高。這些器件已成功解決低電壓(低于100伏)或高電壓容差(IGBT和超結(jié)器件)中的效率和開關(guān)頻率問題。然而，由于硅的限制，因此無法在單個(gè)硅功率FET中提供所有這些功能。寬帶隙功率晶體管(如GaN和碳化硅(SiC))有望在高壓和高開關(guān)頻率條件下提供高功率效率，從而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅MOSFET產(chǎn)品。

　　GaN可以為您做什么

　　根據(jù)應(yīng)用的不同，高效率的高頻開關(guān)可以將功率模塊的尺寸縮小3至10倍，但需要優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器和控制器拓?fù)?。圖騰柱AC/DC轉(zhuǎn)換器是一種不適用于硅片的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可受益于GaN的低導(dǎo)通電阻、快速開關(guān)和低輸出電容，從而提供三倍高的功率密度。諸如零電壓和零電流開關(guān)這樣的諧振架構(gòu)可以減少開關(guān)損耗并提高整體效率，也可以受益于GaN的卓越開關(guān)特性。

　　許多應(yīng)用需要從相對(duì)較高電壓(幾百伏)到低電壓的功率轉(zhuǎn)換以供電電路元件(如處理器)。具有高輸入至輸出電壓比的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的效率較低。這些電源管理模塊通常涉及多個(gè)轉(zhuǎn)換階段。從中間的54/48伏總線直接轉(zhuǎn)換到處理器內(nèi)核電壓可以降低成本并提高效率。氮化鎵憑借其獨(dú)特的開關(guān)特性，成為直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)的強(qiáng)有力候選者。目前正在研究數(shù)據(jù)中心應(yīng)用服務(wù)器電源管理的直接轉(zhuǎn)換。

　　此外，自動(dòng)駕駛車輛激光雷達(dá)驅(qū)動(dòng)器、無線充電和5G基站中的高效功率放大器包絡(luò)線跟蹤等應(yīng)用可從GaN技術(shù)的效率和快速切換中受益。

　　GaN功率器件的傳導(dǎo)損耗降低，并伴隨著更高的開關(guān)頻率，從而導(dǎo)致更高的功率密度。但熱管理和寄生效應(yīng)無法縮放!在更小的體積中集中更多的功率為散熱和封裝帶來新的挑戰(zhàn)。較小的模面面積限制了傳統(tǒng)封裝技術(shù)的效率。三維散熱是GaN封裝的一個(gè)很有前景的選擇。

　　生活更環(huán)保

　　為了打破成本和大規(guī)模采用周期，一種新型功率半導(dǎo)體技術(shù)需要解決最引人注目應(yīng)用中現(xiàn)有設(shè)備的一些缺點(diǎn)。氮化鎵為功率調(diào)節(jié)的發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，使其在高電壓應(yīng)用中的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越硅材料。用于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的逆變器可以極大地受益于GaN器件提供的更高密度。

　　GaN還提供其他獨(dú)特的未開發(fā)特性，可以為未來的電源管理提供新的價(jià)值和機(jī)會(huì)。與典型的PN結(jié)MOSFET不同，GaN器件的雙向結(jié)構(gòu)可以使用雙柵結(jié)構(gòu)控制電流。用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的矩陣轉(zhuǎn)換器可以通過利用雙向設(shè)備潛在地減少開關(guān)的數(shù)量。此外，氮化鎵器件可以在比硅器件更高的溫度下工作，這使其成為許多熱門應(yīng)用(如集成電機(jī)驅(qū)動(dòng))的有吸引力的選擇。

　　GaN等突破性技術(shù)的長(zhǎng)期影響是顯著的：較低的功率損耗意味著我們不需要很多新發(fā)電廠來滿足日益增長(zhǎng)的電力需求。更高的功率密度意味著更多的集成。電池供電電路(例如電動(dòng)車輛、無人機(jī)和機(jī)器人中的電路)可以更高效地運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。數(shù)據(jù)中心將更有效地運(yùn)作，利用其數(shù)以千計(jì)的服務(wù)器幫助我們與朋友和同事聯(lián)系。我們將能夠過上更加環(huán)保的生活。

　　更多資源：

　　查看TI的GaN解決方案組合。

　　請(qǐng)閱讀我們的新白皮書：GaN將能效提高到一個(gè)新的水平

　　閱讀我們關(guān)于GaN和SiC功率工藝的白皮書：GaN和SiC可以提高電源的功率效率

　　請(qǐng)閱讀：使用集成驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化GaN性能。

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　　1-分布式能源系統(tǒng)和輸配電應(yīng)用的電力電子技術(shù)，ORNL，2005年

　　英文原版：https://e2e.ti.com/blogs_/b/thinkinnovate/archive/2018/03/27/gallium-nitride-innovations-promise-to-improve-the-efficiency-and-size-of-power-management-systems