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GaN Systems CEO:GaN晶体管掀起电源转换市场新革命之全解读

Franklin Zhao?? 2016年02月29日 ?? 收藏4
电源转换市场相当可观,达150亿美元。整个世界的计算量正变得越来越大,我们生活中所使用的电子元器件越来越多,并且更多的人需要使用电子产品;为了更谨慎地利用我们的资源,电源转换的效率变得愈加重要。而对于功率半导体来说,这意味着需要有更好性能的革命性解决方案。

然而,功率半导体的变化相对摩尔定律要慢得多。摩尔定律说的是,差不多每两年,IC内的晶体管的数量翻一倍。功率半导体器件的创新周期却是20年——从真空管,到FET,到双极型晶体管,到MOSFET,到IGBT,再到现在,我们进入到了GaN晶体管的新时代。

GaN晶体管掀起电源转换市场新革命之全解读
图1:功率半导体创新周期为20年。

GaN晶体管为何能够实现极高效率?

GaN晶体管由于能够实现更轻巧、更便宜的电源转换,正在成为MOSFET和IGBT产品的替代解决方案。日前,借GaN Systems公司CEO Jim Witham先生来华之际,EDN China记者有幸对其进行了独家专访。从这次的采访中,笔者了解到了GaN晶体管在器件本身和应用上的各种优势,以及GaN Systems公司技术的独到之处——请看下文。

GaN晶体管掀起电源转换市场新革命之全解读
图2:GaN Systems公司CEO Jim Witham先生。

首先,对于电源设计人员来说,GaN晶体管的好处在哪里?看看下图便一目了然——左边的是用硅器件制作的电源,右边的是用GaN器件制作的电源。具体来说,GaN相比硅器件,拥有更好的材料特性:1000倍开关速度,10倍电阻/面积,以及13倍的品质因数。而电源设计借此则可以得到以下改进:更高效率(降低50%~90%损耗),更小(1/4尺寸),更轻(1/4重量),更低的系统BOM成本。

GaN晶体管掀起电源转换市场新革命之全解读
图3:GaN晶体管相较硅晶体管的优势

GaN晶体管适用的功率范围为5W到500kW,因此可以用到很多应用当中。“GaN最根本的特性是开关速度更快。如果开关速度更快,那损耗就可以降低,而效率也就越高。”Witham先生解释说,“通常,电源的平均效率大约是90%,因此有10%的能量流失了。而一般的GaN晶体管的效率是98%或99%。此外,由于开关速度更高,频率越高,电感、电容和变压器都可以变得更小。当效率变高时,散热器也就可以变得更小,甚至是可以不需要。因此电源就可以做得更轻巧,BOM成本也更低,出货的部件也更小。”

GaN晶体管适用的市场包括:消费类、企业级、工业以及交通(如图4所示)。其中的三大应用包括:汽车驱动用电机、充电器以及DC/DC转换器。“从中国的角度来说,中国的产品遍布世界各地。我们去访问的客户都有很多的适配器产品,比如华为和中兴的市场很大。工业太阳能也在壮大。中国的电动汽车(EV)市场也在激增,大家都对这个市场非常着迷。”Witham先生透露。

GaN晶体管掀起电源转换市场新革命之全解读
图4:GaN晶体管适用的市场一览

相同的产品既可以用于5W的手机用电源适配器,又可以用于丰田(Toyota)的55kW电动车牵引电动机。更高的效率、更小的体积、更轻的重量、更低的成本,这些都是因为GaN的开关和传导性能要更高。

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氮化镓晶体管? 半导体? 电源转换? 太阳能?

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