2021 年是世界決定向氮化鎵 (GaN) 敞開大門的過渡年。EPC 首席執行官 Alex Lidow 在 CES 周期間接受 Power Electronics News 采訪時表示，他確信 GaN 現在證明了其對硅的至高無上的地位。快速充電器目前是 GaN 的良好消費市場，但正如 Lidow 指出的那樣，快速采用 48V 的服務器的爆炸式增長確保了 GaN 進一步用于 DC/DC 解決方案。

“我們還看到 GaN 在電動汽車應用中的迅速采用——這可能是今年的新聞，我認為這將是開始使用 GaN 的踏板車和無人機的故事，原因很明顯，例如尺寸更小、更輕和更高的效率，所以我認為今年是一個很好的機會，”Lidow 說。“激光雷達已經存在好幾年了；這不是一個新故事。但是激光雷達有什么新東西是它正在迅速橫向擴展到許多其他市場，例如具有防撞系統的通用機器人和無人機，甚至具有防撞系統的簡單吸塵器。另一個發展中的市場是汽車中的所有小型電動機。我認為 GaN 不會很快在牽引逆變器中被采用，但對于風扇電機等應用，GaN 比 MOSFET 提供的電機驅動要安靜得多。此外，GaN 在座椅電機、電動轉向和電動空調中占有一席之地。”

氮化鎵技術

三大趨勢正在推動電力電子技術的發展：能源效率、電氣化和數字經濟（數據無處不在）。這些變化需要改變電力工程師構建系統的方式。因此，各地都有增長的前景。數據中心、5G、工業電機、微型交通、可再生能源和電動汽車是一些不太明顯的高增長領域。

在快速充電器和其他消費類應用中，GaN 將繼續取代舊的硅，最終將接管數據中心和家用太陽能和存儲應用。電動汽車中的車載充電器和 DC/DC 轉換器將越來越多地使用 GaN 技術。Navitas Semiconductor 企業營銷和投資者關系副總裁 Stephen Oliver 在 CES 開幕式上接受 Power Electronics News 采訪時表示，他相信隨著 GaN 功率水平的攀升，GaN 將蠶食早期 SiC 技術的市場份額。電動汽車架構師從“電機+車軸”轉向“輪內”驅動。

在 CES 上，Navitas 將展示其 GaNFast 功率 IC，集成 GaN 功率和驅動以及保護和控制，以提供簡單、小型、快速和高效的性能。據 Oliver 稱，該公司還將展示 GaNFast 技術如何通過經過驗證的 650-/800-V GaNFast 平臺的功率升級、熱增強版本進行增壓，現在進一步升級到 700/800 V，以應對下一個挑戰- 發電太陽能、數據中心和電動汽車快速充電應用。除了展出的技術和解決方案，Navitas 還發起了一項競賽，以贏得價值超過 60,000 美元的特斯拉 Model 3 Performance。

“除了通過更高功率和更高水平的集成和功能推進 GaN 技術外，還有一些舉措來支持設計以及與戰略客戶和合作伙伴的合作，”Oliver 說。“最近的公告包括與 Anker 合作開發快速充電器；來自 Enphase [太陽能]、Brusa [電動汽車] 和 Compuware [數據中心] 的推薦信；和新的以應用為中心的設計中心。上個月，我們宣布在中國杭州開設一個新的設計中心，致力于引入下一代 GaN 功率 IC 和相關的高效率、高功率密度系統，使世界各地的數據中心能夠從硅升級到氮化鎵。本月，我們在中國上海開設了新的納微電動汽車設計中心。每個設計中心都擁有一支經驗豐富的世界級電力系統設計師團隊，他們在電氣、熱力和機械設計方面具有全面的能力；軟件開發; 以及完整的仿真和原型設計能力。新團隊將在全球范圍內為數據中心和電動汽車客戶提供支持，從概念到原型再到全面認證和大規模生產。”

在 CES 上，GaN Systems 展示了一些行業基于 GaN 的消費電子解決方案，包括 GaN 充電器和 GaN 音頻以及汽車。GaN Systems 戰略營銷副總裁 Paul Wiener 在接受 Power Electronics News 采訪時表示：“GaN Systems 正在展示為筆記本電腦供電的世界上最小的 65W 充電器。“我們很高興展示戴爾、飛利浦、哈曼等知名品牌的 GaN 充電器。

“在音頻方面，我們展示了我們的 Gen2 放大器參考設計 Syng Alpha Cell 揚聲器，它被《時代》雜志評為 2021 年 100 項最佳發明之一；Orchard Audio 的一體式 Starkrimson Streamer Ultra；以及帶有 Axign 控制器芯片的革命性 D 類音頻放大器，”他補充道。“在汽車領域，我們展示了 GaN 在 DC/DC 轉換器、車載充電器、牽引逆變器和互補汽車電源模塊中的應用。”

應用

Navitas 表示，除了用于筆記本電腦和移動設備的超快速充電器外，下一代 GaN 半導體還可以通過節省數據中心的能源、提供高效太陽能逆變器和加速電動汽車的采用來“為我們的世界供電”。 .

快速充電器很好地說明了 GaN 的有效采用，這導致了巨大的市場滲透。據 Navitas 稱，GaN IC 提供了當前便攜式電子產品所期望的極其便攜、高功率密度、重量輕和高性能的解決方案。“GaN 存在的原因有很多，并將在越來越多的行業中變得更加普遍，”Oliver 說。“GaN 的運行速度提高了 20 倍，功率提高了 3 倍，充電速度提高了 3 倍，同時應用尺寸和重量減半。這不僅在性能、外形尺寸和重量方面具有優勢，而且意味著 GaN 可以為可持續性和減少碳排放做出重大貢獻。

“例如，在數據中心，我們估計 GaN IC 可以減少高達 10% 的電力使用，如果將這一改進應用于所有數據中心，可以節省超過 15 TWh 或每年 19 億美元的電力成本，”他補充說. “在可再生能源方面，GaN 半導體提高了光伏逆變器和儲能系統的效率，以降低每瓦太陽能的成本，這反過來又將加速采用。在電動汽車中部署 GaN 的同時，GaN 使 EV 制造商能夠解決充電時間、節能、價格和續航里程等關鍵問題。我們相信，我們的技術將使電動汽車的采用速度加快三年，從而使道路部門的 CO 2?排放量再減少 20%。”

根據 Wiener 的說法，半導體經濟學的原理正在發揮作用：“更高的產量推動了工藝知識的增加和性能的提高，并降低了成本。我們今天看到了其中的一些，使 GaN 能夠在硅 MOSFET、IGBT 和 SiC 今天占有一席之地的低功率和高功率應用中取代其他晶體管技術。”

對于 GaN 系統，最引人注目的必須是 GaN 充電器。“它們在許多消費電子出版物中得到了廣泛的報道，但最重要的是，你會看到從 Apple 到 Dell 的大公司首次推出 GaN 充電器，”Wiener 說。“最有力的論據是，GaN 是滿足電力電子行業效率、尺寸和成本需求的最佳技術。GaN 的性能比硅好 13 倍，比碳化硅 [SiC] 好 6 倍。”

除了快速充電器，如前所述，Lidow 將電動汽車 (EV) 視為一個不斷增長的市場，在關注綠色問題時，他指出最大的問題不是電動汽車是否 100% 環保，而是我們的環保程度如何電網將。“在能源效率方面，與內燃機相比，用電動機移動某物的能源效率為4：1，如果電網是燃煤的，可能會產生負面影響，”他說說。“我認為這就是我們需要轉移注意力的地方。電動車來了；我們需要通過投資可再生能源來清理電網。對于太陽能，找到正確的峰值工作點至關重要，而 GaN 通過 DC/DC 功率點跟蹤器找到了合適的位置，而且在出現 GaN 和 SiC 的逆變器中也找到了合適的位置。

下一代功率器件必須采用滿足性能、效率和價值要求的技術，而 GaN 已成為一個重要組成部分。然而，在評估 GaN 解決方案時，出現了一個問題：什么是 RF 應用的最佳解決方案：GaN-on-Si、GaN-on-SiC 或 GaN-on-GaN。

根據 Lidow 的說法，GaN 的默認襯底是硅或 SiC。對于后者，在射頻領域有很多應用。“我認為 GaN-on-GaN 沒有成功有幾個原因，”他說。“碳化硅的導熱性比 GaN 高得多。第二件事是 GaN 中的電子遷移率遠高于碳化硅，但僅在橫向器件中。這是因為二維電子氣。因此，如果您切換到垂直設備，您將失去該優勢。氮化鎵晶體處于更原始的發展狀態，這或多或少是相同的。

“此外，GaN-on-Si 的生產方式與硅一樣，因此無需進行如此多的投資，”他總結道。“當您想要 GaN-on-GaN 時，您需要進行大量投資，因為它是一種非常不同的生產工藝。那么，當它不具備相對碳化硅的比較優勢時，為什么要進行如此巨額的資本投資呢？”

審核編輯 黃昊宇