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氮化镓（GaN）技术推动电源管理不断革新

2018/6/28 13:58:32     

Ahmad Bahai，德州仪器（TI）公司首席技术官

我们可以想象一下：当你驾驶着电动汽车行驶在马路上，电动车充电设备的充电效率可以达到你目前所用充电效率的两倍；仅有一半大小的电机驱动比目前应用的效率更高；笔记本电脑电源适配器小到可以放进口袋。

电子设备的未来取决于电源管理创新。

或者设想一下：每个简单的互联网搜索查询使用的电力足以灼烧一个60瓦灯泡约17秒。现在乘上每天发生的数十亿次的查询，便可以获得数十亿千瓦时的能耗。

更有效地管理能源并占用更小空间，所面临的挑战丝毫没有减弱。氮化镓（GaN）等新技术有望大幅改进电源管理、发电和功率输出的诸多方面。预计到2030年，电力电子领域将管理大约80％的能源，而2005年这一比例仅为30％1。这相当于30亿千瓦时以上的节能。这些电力足以为30多万个家庭提供一年的电量。

任何可以直接从电网获得电力的设备（从智能手机充电器到数据中心），或任何可以处理高达数百伏高电压的设备，均可受益于氮化镓等技术，从而提高电源管理系统的效率和规模。（白皮书下载：GaN将能效提高到一个新的水平。）

 

寻找理想开关

任何电源管理系统的核心是开关，可以打开和关闭电源。它就像墙上的照明开关一样，但是速度会数百万倍地快，尺寸会数百万倍地小。效率（低损耗）、可靠性、集成度和可负担性是半导体电源开关的关键属性。

我们不断地寻找理想的开关。理想的开关可以以极少“导通”电阻来导通电流，并在尽可能少的漏电流的情况下阻断电流，同时阻断关断状态下其端子上的明显电压。较高的开关频率也意味着工程师可以设计出更小的整体功率变换解决方案。最重要的是，半导体开关必须可靠且能够经济高效地制造。

几十年来，硅电源开关的功效、开关速度和可靠性都在不断提高。这些器件已成功解决低电压（低于100伏）或高电压容差（IGBT和超结器件）中的效率和开关频率问题。然而，由于硅的限制，因此无法在单个硅功率FET中提供所有这些功能�？泶豆β示骞埽ㄈ鏕aN和碳化硅（SiC））有望在高压和高开关频率条件下提供高功率效率，从而远远超过硅MOSFET产品。

GaN可以为您做什么

根据应用的不同，高效率的高频开关可以将功率�？榈某叽缢跣�3至10倍，但需要优化驱动器和控制器拓扑。图腾柱AC/DC转换器是一种不适用于硅片的拓扑结构，可受益于GaN的低导通电阻、快速开关和低输出电容，从而提供三倍高的功率密度。诸如零电压和零电流开关这样的谐振架构可以减少开关损耗并提高整体效率，也可以受益于GaN的卓越开关特性。

许多应用需要从相对较高电压（几百伏）到低电压的功率转换以供电电路元件（如处理器）。具有高输入至输出电压比的开关模式功率转换器的效率较低。这些电源管理�？橥ǔＩ婕岸喔鲎唤锥巍４又屑涞�54/48伏总线直接转换到处理器内核电压可以降低成本并提高效率。氮化镓凭借其独特的开关特性，成为直接转换架构的强有力候选者。目前正在研究数据中心应用服务器电源管理的直接转换。

此外，自动驾驶车辆激光雷达驱动器、无线充电和5G基站中的高效功率放大器包络线跟踪等应用可从GaN技术的效率和快速切换中受益。

GaN功率器件的传导损耗降低，并伴随着更高的开关频率，从而导致更高的功率密度。但热管理和寄生效应无法缩放！在更小的体积中集中更多的功率为散热和封装带来新的挑战。较小的模面面积限制了传统封装技术的效率。三维散热是GaN封装的一个很有前景的选择。

生活更环保

为了打破成本和大规模采用周期，一种新型功率半导体技术需要解决最引人注目应用中现有设备的一些缺点。氮化镓为功率调节的发展创造了机会，使其在高电压应用中的贡献远远超越硅材料。用于工业电机驱动或并网储能系统的逆变器可以极大地受益于GaN器件提供的更高密度。

GaN还提供其他独特的未开发特性，可以为未来的电源管理提供新的价值和机会。与典型的PN结MOSFET不同，GaN器件的双向结构可以使用双栅结构控制电流。用于电机驱动的矩阵转换器可以通过利用双向设备潜在地减少开关的数量。此外，氮化镓器件可以在比硅器件更高的温度下工作，这使其成为许多热门应用（如集成电机驱动）的有吸引力的选择。

GaN等突破性技术的长期影响是显著的：较低的功率损耗意味着我们不需要很多新发电厂来满足日益增长的电力需求。更高的功率密度意味着更多的集成。电池供电电路（例如电动车辆、无人机和机器人中的电路）可以更高效地运行更长时间。数据中心将更有效地运作，利用其数以千计的服务器帮助我们与朋友和同事联系。我们将能够过上更加环保的生活。

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