2020年迎來了第三代半導體氮化鎵(GaN)的應(yīng)用浪潮，其應(yīng)用范圍從汽車到音頻放大器。為此外媒allaboutcircuits采訪了GaN Systems首席執(zhí)行官Jim Witham，以了解他為什么認為2021年將有更多GaN被采用。
雖然20年前氮化鎵(GaN)晶體管曾是大學研究項目的重點，但這些器件現(xiàn)在已被整個行業(yè)廣泛采用--尤其是在2020年。 GaN晶體管現(xiàn)在是硅基FET的熱門替代品，因為它們具有極高的電子遷移率。這也使得GaN比硅基晶體管具有更小的導通電阻和更快的開關(guān)速度。
GaN與Si晶體管
GaN晶體管的驅(qū)動方式與傳統(tǒng)MOSFET相同，因此很容易集成到現(xiàn)有設(shè)計中。這就是為什么2020年標志著市場對GaN的接受度達到了一個高峰，比以往任何時候都有更多的電源、音頻放大器、數(shù)據(jù)中心和汽車系統(tǒng)采用了GaN。
GaN功率晶體管的市場機會在2020年猛增 中壓段：GaN的最佳選擇
首先，從快速充電器到數(shù)據(jù)中心，GaN似乎在許多關(guān)鍵行業(yè)都取得了長足發(fā)展。雖然GaN并不是所有電源應(yīng)用的解決方案，但根據(jù)Witham的說法，它的“最佳電壓范圍”在60 V到1200 V之間。
"硅適用于低電壓(60 V及以下)和低功率，GaN是中等電壓(60-1200 V)和中等功率的理想選擇，而SiC和IGBT則適合高電壓(1200 V及以上)和高功率，"他認為。
充電器和適配器
2020年GaN被廣泛采用的一個市場是手機、平板電腦和手持游戲設(shè)備等應(yīng)用的充電器和適配器市場。
造成這種需求的直接原因是快速充電的廣泛推動，特別是來自亞洲制造商的快速充電。更快的充電需要更高的功率，這通常意味著設(shè)備尺寸更大。而采用GaN則可以比硅充電器實現(xiàn)更小的充電器和更高的功率。
安森美半導體基于GaN的電源 框圖
"尤其是華為、Oppo和小米都在真正推動快充。"Witham說。GaN Systems預測，隨著GaN成為行業(yè)標準，2021年其他大牌也會開始將自己的GaN充電器推向市場。
音頻
對小型、高質(zhì)量、低功耗的音頻設(shè)備的需求不斷增長，使得D類音頻放大器成為設(shè)計人員的最愛。依靠MOSFET輸出級，D類放大器依靠這些晶體管的快速開關(guān)速度，準確地再現(xiàn)了音頻波形。
對低功耗的小型高質(zhì)量音頻設(shè)備的需求不斷增長，使D類音頻放大器成為設(shè)計師的最愛。D類放大器依靠這些MOSFET晶體管的快速開關(guān)速度來準確地重建音頻波形。
完整的音頻放大器
GaN具有極高的開關(guān)速度，這是GaN超越硅的另一個方面，有時比硅基FET快1000倍。GaNSystems的白皮書對 這種出色的音頻質(zhì)量進行了量化，表明基于GaN的D類放大器可以產(chǎn)生低至0.004％的總諧波失真（THD），而硅產(chǎn)品僅為0.015％。
Witham評論說：“我有音頻專家告訴我，這將達到完美晶體管的水平。”由于尺寸減小和出色的音頻質(zhì)量，GaN Systems預測，世界著名的音頻品牌將在來年生產(chǎn)基于GaN的音頻放大器。
數(shù)據(jù)中心
從GaN Systems的角度來看，GaN是日益繁重的數(shù)據(jù)中心的必不可少的支柱，隨著越來越多的人在家工作，數(shù)據(jù)中心正在管理空前的功耗和數(shù)據(jù)密度。該公司表示，GaN晶體管可以在三個關(guān)鍵領(lǐng)域做出顯著改進：
AC-DC電源，高壓進入服務(wù)器機架，必須降壓才能為所有服務(wù)器分配電源
服務(wù)器板上的DC-DC轉(zhuǎn)換器，將直流電壓（無論是12，V，24 V還是48 V）的電壓降低到低芯片級電壓
UPS備用電源
實現(xiàn)更小，更高效的電源，將使數(shù)據(jù)中心可以在機架中放置更多服務(wù)器，從而提高每平方米的利用性能。
汽車行業(yè)
GaN Systems認為大有可為的最后一個領(lǐng)域是汽車行業(yè)。事實上，去年豐田車展上就宣布了一款 "全GaN "汽車。隨著國際政府和公眾對電動汽車的要求越來越高，除高級電池技術(shù)外，設(shè)計師還肩負著集成更小，功率密度更高的系統(tǒng)的任務(wù)。
與硅MOSFET相比，基于GaN的技術(shù)可使LiDAR中的激光信號以更高的速度發(fā)射。
在Witham眼中，2021年“就是要看到GaN晶體管上路。”
關(guān)于GaN的成本、設(shè)計和“綠色”價值
據(jù)GaN Systems公司和許多其他半導體制造商稱，早期圍繞GaN的擔憂已不再迫在眉睫。
隨著產(chǎn)量的增加，GaN的成本也會下降，"Witham說。
談到設(shè)計學習曲線，Witham幽默地指出："GaN有點像法拉利，你必須學會如何駕駛它。"
與GaN FET半橋相比，傳統(tǒng)的高壓半橋。 GaN對于Witham而言，最令人興奮的希望之一就是它將產(chǎn)生長期的環(huán)境影響。Witham認為：“我們正處于動力革命之中。我們看到了這些小型，輕便，高效的電力電子設(shè)備的問世。。。他們將使地球變得更美好。”
