隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，以及制定的碳達(dá)峰/碳中和的目標(biāo)，市場(chǎng)對(duì)更高效率、更高功率密度的電源管理產(chǎn)品需求不斷提升，這給了第三代半導(dǎo)體技術(shù)相當(dāng)廣闊的發(fā)展空間。

第三代半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、 高壓、高頻以及高輻射等惡劣條件的新要求，相比硅基半導(dǎo)體可以降低50%以上的能量損失。

眾多電源管理或射頻公司，已經(jīng)將第三代半導(dǎo)體作為公司發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，包括ST、英飛凌、德州儀器、PI、羅姆、Qorvo、NXP、WolfSpeed等公司，都在第三代半導(dǎo)體上積極響應(yīng)。

從手機(jī)充電器開始

GaN技術(shù)誕生時(shí)間很長(zhǎng)，但應(yīng)用卻非常新，至少在消費(fèi)市場(chǎng)是如此。“在過去的十年中，GaN電源市場(chǎng)主要由高端、高性能的應(yīng)用推動(dòng)，這些應(yīng)用在系統(tǒng)級(jí)提供了高頻開關(guān)、低導(dǎo)通電阻和更小的外形尺寸。” Yole Development分析師Ezgi Dogmus在2019年底一篇文章中評(píng)論道。“但是，2019年GaN功率正在發(fā)生變化。” GaN正在進(jìn)入主流消費(fèi)應(yīng)用中，手機(jī)制造商OPPO在2019年10月宣布在其65W內(nèi)置快速充電器中為其新Reno Ace旗艦機(jī)選擇了基于GaN的超級(jí)閃充技術(shù)，這是GaN功率器件首次進(jìn)入大批量智能手機(jī)市場(chǎng)。

而在OPPO官宣一周前，Power Integrations， Inc.（以下簡(jiǎn)稱PI） 的CEO Balu Balakrishnan來到深圳，參加了安克創(chuàng)新深圳總部的活動(dòng)，他親手將PI第一百萬顆采用該公司PowiGaN技術(shù)的InnoSwitch3開關(guān)電源IC交到了安克CEO陽萌手中。距離2018年10月25日安克在美國紐約發(fā)布的首款“ANKER PowerPort Atom PD1”GaN充電器時(shí)間不足一年。 2020年，手機(jī)OEM商掀起了一陣取消原裝適配器的熱潮。取消的一大重要原因，就是GaN充電器開始在市場(chǎng)上嶄露頭角。

這種采用第三代半導(dǎo)體所開發(fā)的快速充電器，具有小尺寸、高效率、功率密度大等特點(diǎn)，極大改善了消費(fèi)者的使用體驗(yàn)。 據(jù)PI市場(chǎng)副總裁Doug Bailey介紹，基于GaN，PI 可以應(yīng)用在美觀時(shí)尚的快速充電器，與高端或者大眾市場(chǎng)的智能移動(dòng)設(shè)備搭配一起作為產(chǎn)品的特色。

同時(shí)，GaN 65W充電器在配件市場(chǎng)非常暢銷，可以以低于25美元的價(jià)格購買到。 2020年P(guān)I GaN產(chǎn)品的銷售額約為1000萬美元，并預(yù)計(jì)將在2021年翻1至3倍，這和市場(chǎng)的樂觀預(yù)期相一致。在短短的一年多時(shí)間內(nèi)，我們看到家中越來越多的充電器已經(jīng)替換成了快充，一個(gè)不起眼的科技革新讓更多人可以更好地享受移動(dòng)生活的便利性。

長(zhǎng)期專注GaN研發(fā)

2010年，PI收購了Velox Semiconductor，并利用該公司在GaN功率器件的研究成果創(chuàng)建了“ PowiGaN”技術(shù)。采用了和其他公司不同的方法，將GaN開關(guān)集成到其第三代集成式InnoSwitch器件中，通過高集成度的方式實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的差異化。

由于GaN的轉(zhuǎn)換頻率較高，在處理EMI上非常棘手，而在同一個(gè)封裝中，工程師無需額外關(guān)注EMC和EMI的問題。“我們認(rèn)為PI已經(jīng)超越了許多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，它們正在銷售分立的GaN FET，這些GaN FET難以使用并且需要大量的設(shè)計(jì)工作。而PI提供的高度集成的IC解決方案易于使用，且具有顯著的性能和尺寸優(yōu)勢(shì)。”Doug表示。獨(dú)立的GaN FET產(chǎn)品看似可以靈活應(yīng)用于各產(chǎn)品，但卻缺乏針對(duì)性優(yōu)化。

而在高集成方式下，InnoSwitch可以更好地針對(duì)65W或其他規(guī)格的充電器進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化。并且由于無需更多額外的周邊元件，可靠性也會(huì)相應(yīng)提升。 值得一提的是，由于GaN高集成度解決方案，設(shè)計(jì)人員無需學(xué)習(xí)新技術(shù)、他們只需在基于PowiGaN的反激式開關(guān)IC中進(jìn)行設(shè)計(jì)即可立即獲得GaN提供的功率和尺寸優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)人員可以更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)更少的組件數(shù)量和較小的PCB尺寸等高集成度的優(yōu)勢(shì)。 正是因?yàn)樵贕aN領(lǐng)域研發(fā)的持續(xù)性投入，PI積累了大量技術(shù)和專業(yè)知識(shí)。提供全面的參考設(shè)計(jì)，以及一支專業(yè)的全球FAE團(tuán)隊(duì)，以支持客戶的設(shè)計(jì)工作。PI的CEO Balu此前曾表示，“我們始終專注于對(duì)研發(fā)的長(zhǎng)期投入，著眼于擴(kuò)大我們的潛在市場(chǎng)并開發(fā)具有顛覆性的技術(shù)。這些努力需要很多年才能完全實(shí)現(xiàn)，但我們實(shí)現(xiàn)了，并且我對(duì)未來幾年感到興奮，因?yàn)槿缃裎覀円呀?jīng)看到了長(zhǎng)期投資的回報(bào)。”

從未止步

PI一直擅長(zhǎng)于將其獨(dú)有的工藝技術(shù)延伸至其各種復(fù)雜的產(chǎn)品組合中，比如無需使用任何磁芯材料即可在安規(guī)隔離帶之間進(jìn)行反饋控制的FluxLink通信技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在適配器、汽車、LED等多項(xiàng)應(yīng)用中，并取得了成功。PowiGaN正在復(fù)制著此條道路。 PI的MinE-CAP IC可與InnoSwitch3反激式轉(zhuǎn)換器搭配使用，兩種器件均使用了PowiGaN技術(shù)。LYTSwitch-6 LED驅(qū)動(dòng)器IC也使用GaN。“對(duì)于許多應(yīng)用而言，GaN是一種比硅更好的開關(guān)技術(shù)，我們預(yù)計(jì)未來的許多產(chǎn)品都將集成PowiGaN，我相信新的應(yīng)用也將從PowiGaN中受益。”

Doug信心滿滿地表示。 PowiGaN在快充市場(chǎng)已經(jīng)交付了滿意的答卷，在電視、冰箱等家電中的應(yīng)用展現(xiàn)了優(yōu)異的性能， 不光是因?yàn)槌叽鐔栴}，更重要的是其高效率的特性。盡管對(duì)于某些領(lǐng)域來說，電源轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了95%之多，提升至96%看似只有一個(gè)點(diǎn)的提升，但這意味著散熱性能提高了20%之多。也就意味著可以采用更小甚至無需散熱片，這會(huì)極大增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。

如今PI的PowiGaN以更高效率，更小體積的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，廣泛地應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，包括工業(yè)、消費(fèi)、照明和商用等。 根據(jù)市場(chǎng)研究公司MarketsandMarkets發(fā)布的一份報(bào)告，氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2016年165億美元上漲到2023年224.7億美元，2017年到2023年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）達(dá)到4.6%。第三代半導(dǎo)體在市場(chǎng)需求、技術(shù)進(jìn)步以及資本的加持下，展現(xiàn)出喜人的增長(zhǎng)勢(shì)頭，相信Doug暢想的愿景不久將會(huì)實(shí)現(xiàn)，GaN將在所有應(yīng)用市場(chǎng)中發(fā)揮舉足輕重的作用。

原文標(biāo)題：GaN技術(shù)是如何飛入尋常百姓家

文章出處：【微信公眾號(hào)：電子工程世界】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq