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第三大半导体氮化镓:2020年应用盘点及2021年市场展望

发布日期:2020-12-31 浏览次数:2326 来源:今日头条
 本文由EETOP编译自allaboutcircuits

  2020年迎来了第三代半导体氮化镓(GaN)的应用浪潮,其应用范围从汽车到音频放大器。为此外媒allaboutcircuits采访了GaN Systems首席执行官Jim Witham,以了解他为什么认为2021年将有更多GaN被采用。

  虽然20年前氮化镓(GaN)晶体管曾是大学研究项目的重点,但这些器件现在已被整个行业广泛采用--尤其是在2020年。 GaN晶体管现在是硅基FET的热门替代品,因为它们具有极高的电子迁移率。这也使得GaN比硅基晶体管具有更小的导通电阻和更快的开关速度。

  

  GaN与Si晶体管

  GaN晶体管的驱动方式与传统MOSFET相同,因此很容易集成到现有设计中。这就是为什么2020年标志着市场对GaN的接受度达到了一个高峰,比以往任何时候都有更多的电源、音频放大器、数据中心和汽车系统采用了GaN。

  

  GaN功率晶体管的市场机会在2020年猛增 中压段:GaN的最佳选择

  首先,从快速充电器到数据中心,GaN似乎在许多关键行业都取得了长足发展。虽然GaN并不是所有电源应用的解决方案,但根据Witham的说法,它的“最佳电压范围”在60 V到1200 V之间。

  "硅适用于低电压(60 V及以下)和低功率,GaN是中等电压(60-1200 V)和中等功率的理想选择,而SiC和IGBT则适合高电压(1200 V及以上)和高功率,"他认为。

  充电器和适配器

  2020年GaN被广泛采用的一个市场是手机、平板电脑和手持游戏设备等应用的充电器和适配器市场。

  造成这种需求的直接原因是快速充电的广泛推动,特别是来自亚洲制造商的快速充电。更快的充电需要更高的功率,这通常意味着设备尺寸更大。而采用GaN则可以比硅充电器实现更小的充电器和更高的功率。

  

  安森美半导体基于GaN的电源 框图

  "尤其是华为、Oppo和小米都在真正推动快充。"Witham说。GaN Systems预测,随着GaN成为行业标准,2021年其他大牌也会开始将自己的GaN充电器推向市场。

  音频

  对小型、高质量、低功耗的音频设备的需求不断增长,使得D类音频放大器成为设计人员的最爱。依靠MOSFET输出级,D类放大器依靠这些晶体管的快速开关速度,准确地再现了音频波形。

  对低功耗的小型高质量音频设备的需求不断增长,使D类音频放大器成为设计师的最爱。D类放大器依靠这些MOSFET晶体管的快速开关速度来准确地重建音频波形。

  

  完整的音频放大器

  GaN具有极高的开关速度,这是GaN超越硅的另一个方面,有时比硅基FET快1000倍。GaNSystems的白皮书对 这种出色的音频质量进行了量化,表明基于GaN的D类放大器可以产生低至0.004%的总谐波失真(THD),而硅产品仅为0.015%。

  Witham评论说:“我有音频专家告诉我,这将达到完美晶体管的水平。”由于尺寸减小和出色的音频质量,GaN Systems预测,世界著名的音频品牌将在来年生产基于GaN的音频放大器。

  数据中心

  从GaN Systems的角度来看,GaN是日益繁重的数据中心的必不可少的支柱,随着越来越多的人在家工作,数据中心正在管理空前的功耗和数据密度。该公司表示,GaN晶体管可以在三个关键领域做出显着改进: 

  AC-DC电源,高压进入服务器机架,必须降压才能为所有服务器分配电源 

  服务器板上的DC-DC转换器,将直流电压(无论是12,V,24 V还是48 V)的电压降低到低芯片级电压 

  UPS备用电源 

  实现更小,更高效的电源,将使数据中心可以在机架中放置更多服务器,从而提高每平方米的利用性能。

  汽车行业

  GaN Systems认为大有可为的最后一个领域是汽车行业。事实上,去年丰田车展上就宣布了一款 "全GaN "汽车。随着国际政府和公众对电动汽车的要求越来越高,除高级电池技术外,设计师还肩负着集成更小,功率密度更高的系统的任务。

  

  与硅MOSFET相比,基于GaN的技术可使LiDAR中的激光信号以更高的速度发射。

  在Witham眼中,2021年“就是要看到GaN晶体管上路。”

  关于GaN的成本、设计和“绿色”价值

  据GaN Systems公司和许多其他半导体制造商称,早期围绕GaN的担忧已不再迫在眉睫。

  随着产量的增加,GaN的成本也会下降,"Witham说。

  谈到设计学习曲线,Witham幽默地指出:"GaN有点像法拉利,你必须学会如何驾驶它。"

  

  与GaN FET半桥相比,传统的高压半桥。 GaN对于Witham而言,最令人兴奋的希望之一就是它将产生长期的环境影响。Witham认为:“我们正处于动力革命之中。我们看到了这些小型,轻便,高效的电力电子设备的问世。。。他们将使地球变得更美好。”

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