電力電子系統的性能發生了重大轉變，它由比硅 MOSFET 和 IGBT 更快、更小的 GaN 晶體管驅動。GaN 的性能表明效率和功率密度得到了顯著提高，從而在幾個新應用中實現了系統性能，這是過去的硅技術無法實現的。

GaN 晶體管比硅 MOSFET 更快、更小。GaN 的性能表明其效率和潛力得到了顯著提高，從而使其可用于硅技術無法實現的多種新應用。

GaN 的優勢在于其獨特的材料和電子特性，這使其對電子設備和光電子應用具有吸引力。除了在高電壓和電流下工作之外，GaN 晶體管的開關能力比其硅等效物快 10 倍。GaN 基高電子遷移率晶體管在微波頻率下產生的能量密度也顯示出 10 倍的改進因子。

“我們知道 GaN 可以以非常高的頻率進行開關，因此客戶喜歡提高頻率。他們為什么這樣做？因為當您增加開關頻率時，磁性元件和電容器會變小。因此，工程師通常會將系統工作頻率提高兩倍或四倍，從而使電容器和電感器的尺寸減小一半或四分之一。因此，他們將所有這些放在一起：更低的損耗意味著更小的冷卻系統，并且能夠以更高的頻率進行切換，從而減小了組件的尺寸。這就是他們如何獲得小 4 倍的數字，”GaN Systems 的首席執行官 Jim Witham 說。

GaN在2020年經歷了強勁的市場爆炸。在服務器市場，功率密度正在推動效率高達99%，因此GaN/SiC材料是絕對必要的。SiC（主要是 SiC 二極管）和 GaN 在開關模式電源中存在良好的競爭。此外，隨著服務器電源遷移到 48V，100V GaN 與低電壓硅相結合正在證明其有效性。

3.4 eV 的帶隙和增加的電子遷移率使這項技術與眾不同，代表了汽車市場的一個有趣選擇。GaN 器件用于電動汽車充電器，其效率水平為 97%，而之前的效率結果約為 94%。設計實現往往基于兩級架構中的 60 A 和 650 V 開關。

大多數電機驅動器仍然在市場上使用硅。然而，GaN 和 SiC 正在進入電機驅動系統，無論是在驅動器本身，使用高效變頻驅動器還是在有源前端 (PFC) 中。

汽車是寬帶隙產品的最大市場。SiC 在 2018 年率先進入市場，但 GaN 正在迎頭趕上，預計從今年開始到 2021 年將強勁增長。

“預計到 2020 年，全球超過 25% 的發電量將來自可再生能源。獲取能量——無論是來自太陽能、風能、水力還是其他來源——然后通過低效電力電子設備的熱損失來浪費它是愚蠢的. 借助基于 GaN 的可再生能源電子產品，該行業現在擁有可擴展且價格合理的技術解決方案，可實現高效轉換和存儲，”Jim Witham 說。

除了結構更簡單之外，與 SiC 相比，GaN 的高可靠性迫使客戶同時考慮在儲能系統（日常電池充電和放電）和高效電子產品中的用途。結果是在具有多電平轉換器的太陽能逆變器中獲得更多可用能量和更低的擁有成本。

電池系統是未來形式的移動和節能的關鍵技術。電池技術的發展導致了鋰離子 (Li-ion) 電池組的生產。鋰離子電池在上市之前需要數年的理論和實驗研究，首先是手機，然后是電動汽車。

近年來，電池在與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戰是通過新的電路和測試解決方案提高自主性、高充電速度和降低維護成本。

“GaN Systems 開發新一代 GaN 功率晶體管的方法正在導致技術電源系統與能源之間的短期和‘近期’關系發生行業變革，從而創造重要的產品和系統范圍的變化，”威瑟姆說。

GaN 開關器件有兩種不同的類型：增強型（e 型 GaN）和級聯耗盡型（d 型 GaN）。e-mode GaN 作為普通 MOSFET 工作，具有降低的柵源電壓。它提供更簡單的封裝、低電阻、無體二極管和雙向通道。

圖 1：GS65011-EVBEZ 評估板 [來源：GaN Systems]

GaN Systems 實施獲得專利的 Island Technology 單元布局，以實現高電流芯片性能和良率。GS65011-EVBEZ 評估板允許用戶評估 GaN Systems 的 EZDrive 電路。EZDrive 是一種使用帶有集成驅動器的標準 MOSFET 控制器來實現 GaN 驅動電路的低成本、簡單方法。它適用于任何功率級別、任何頻率以及任何 LLC 和 PFC 控制器（圖 1）。

在牽引逆變器系統中，硅 IGBT 預計將在 2020 年主導市場，但大多數牽引公司正在開發基于 SiC 的牽引逆變器，以及基于大電流 GaN 開關的可用性和高可靠性的基于 GaN 的牽引逆變器（圖 2 ）。

圖 3：7.2 kW EV 車載充電器 (OBC) [來源：GaN Systems]

電動汽車、公共汽車和自行車正在改變我們城市交通景觀的面貌。在過去的十年中，所有這些技術都在以驚人的速度發展。它們在很大程度上仍然需要插入物理插座才能充電。大多數電動汽車都需要車載充電器 (OBC) 將來自壁式插座的交流電轉換為為電池充電的直流電。GaN 可實現更小、更高效且成本更低的電源系統（圖 3）。

審核編輯 黃昊宇