探析GaN在電源中的應(yīng)用及未來發(fā)展

GaN可以在電源應(yīng)用中提供更高的頻率與效率，并可在僅有硅材料一半空間與功耗的條件下輸出同等的功率。

從如同磚塊般的手機(jī)到笨重的電視機(jī)，電源供應(yīng)器曾在電子產(chǎn)品中占據(jù)相當(dāng)大的空間，而市場(chǎng)對(duì)于高功率密度的需求也正日益增高。

過去硅(silicon)電源技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新曾大幅縮減產(chǎn)品尺寸，但卻難有更進(jìn)一步的突破。在現(xiàn)今的尺寸規(guī)格下，硅材料已無法在所需的頻率下輸出更高的功率。對(duì)于未來的5G無線網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人，以及再生能源至數(shù)據(jù)中心技術(shù)，功率將是關(guān)鍵的影響因素。

60多年以來，硅一直都是電子零組件中的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于交流電與直流電轉(zhuǎn)換，并調(diào)整直流電壓以滿足從手機(jī)到工業(yè)機(jī)器人等眾多應(yīng)用的需求。盡管必要的零組件一直不斷地改良與優(yōu)化，但物理學(xué)意義上的極限卻是硅材料的最大挑戰(zhàn)。

為解決上述問題，以GaN為基礎(chǔ)的新型電源和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生—產(chǎn)生更少的功耗與散熱問題。由于高溫可能會(huì)增加運(yùn)作成本、干擾網(wǎng)絡(luò)訊號(hào)并導(dǎo)致設(shè)備提早故障，使得這些特性顯得更至關(guān)重要。

GaN可以在電源應(yīng)用中提供更高的頻率與效率，并可在僅有硅材料一半空間與功耗的條件下輸出同等的功率。如此一來，不僅可以提高功率密度，更可以協(xié)助客戶在不增加設(shè)計(jì)空間的同時(shí)滿足更高的功率需求。

更高的開關(guān)頻率代表GaN可以一次轉(zhuǎn)換更大范圍的功率，進(jìn)而減少復(fù)雜裝置中的電源轉(zhuǎn)換。由于每次電源轉(zhuǎn)換都會(huì)產(chǎn)生新的功耗，這對(duì)于很逐漸成長的高壓應(yīng)用而言是一項(xiàng)關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)。

具備60年發(fā)展歷史的硅材料雖然并不會(huì)在一夕之間被取代，但經(jīng)過多年的研究、實(shí)際驗(yàn)證和可靠度測(cè)試，GaN被視為是解決功率密度問題的最佳技術(shù)。德州儀器(TI)已在高于硅材料的工作溫度與電壓下，對(duì)GaN裝置進(jìn)行了2,000萬小時(shí)的加速可靠度測(cè)試。在此測(cè)試時(shí)間內(nèi)，遠(yuǎn)程飛行世界紀(jì)錄保持者GlobalFlyer可繞地球飛行25萬9,740次。

德州儀器正與聯(lián)合電子裝置工程委員會(huì)(Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC)分享了GaN資格協(xié)定，并將負(fù)責(zé)其GaN資格認(rèn)證委員會(huì)。

GaN的未來發(fā)展

在一些功率密度為優(yōu)先考慮特性的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)，GaN已經(jīng)開始代替硅材料。適合大量生產(chǎn)GaN電源供應(yīng)器的主流產(chǎn)業(yè)包括：

制造業(yè)：實(shí)際上，現(xiàn)今典型的機(jī)械手臂并未整合其工作所需的所有電子零組件。由于電源轉(zhuǎn)換和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等零組件的尺寸過大且效率較低，導(dǎo)致它們通常安裝于分開獨(dú)立的機(jī)柜中，再利用長距離的纜線連接至機(jī)械手臂，這便使得工業(yè)機(jī)器人單位立方公尺的生產(chǎn)效率降低。藉由GaN技術(shù)，即可更簡易地將馬達(dá)和電源轉(zhuǎn)換器等整合到機(jī)器人中。如此便可以簡化設(shè)計(jì)、減少復(fù)雜的纜線并降低營運(yùn)成本。

數(shù)據(jù)中心：隨著市場(chǎng)對(duì)數(shù)字化服務(wù)需求的提升，數(shù)據(jù)中心正在經(jīng)歷一場(chǎng)變革，轉(zhuǎn)而采用48V直流電源直接供電。傳統(tǒng)的硅電源轉(zhuǎn)換模塊無法有效地將48V電壓一次轉(zhuǎn)換為大多數(shù)運(yùn)算硬設(shè)備所要求的低電壓，而中間轉(zhuǎn)換過程則會(huì)降低數(shù)據(jù)中心的電源效率。GaN可以在電源輸送至服務(wù)器與芯片之前，將電壓從48V降低至負(fù)載點(diǎn)(point-of-load)電壓，進(jìn)而大幅降低配電損耗并減少轉(zhuǎn)換損耗達(dá)30%。

無線服務(wù)：有鑒于大范圍的5G行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商建置更高功率與工作頻率的設(shè)備，但因營運(yùn)商不希望提高基地臺(tái)設(shè)備的尺寸，GaN的高功率密度優(yōu)勢(shì)將可以滿足他們的需求。

再生能源：再生能源的產(chǎn)生和儲(chǔ)存也必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此GaN的效率優(yōu)勢(shì)成為關(guān)鍵。在再生能源計(jì)劃中，通常以智能電網(wǎng)的方式儲(chǔ)存能源以提供未來使用。如果可以在風(fēng)力發(fā)電機(jī)靜止時(shí)或太陽能板不再吸收陽光時(shí)，能更有效地轉(zhuǎn)換大功率電池的電力輸入和輸出，這將成為一項(xiàng)非常顯著的優(yōu)勢(shì)。德州儀器與其合作伙伴已證實(shí)GaN能夠以99%的高效率轉(zhuǎn)換10kW的再生能源，這對(duì)于電力公用事業(yè)市場(chǎng)來說是一個(gè)極為出色的效率基準(zhǔn)。

未來，GaN將繼續(xù)擴(kuò)展至消費(fèi)性電子產(chǎn)品等應(yīng)用，打造更輕薄的平板顯示，并減少可充電裝置的能源浪費(fèi)。