CES 2022預見GaN技術未來

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

2021年是整個世界決定向氮化鎵(GaN)敞開大門的過渡年。在2022年國際消費性電子展(CES 2022)期間,GaN業界的多位專家在接受採訪時均肯定GaN如今更優於矽的能力。

2021年是整個世界決定向氮化鎵(GaN)敞開大門的過渡年。在2022年國際消費性電子展(CES 2022)期間,GaN業界的多位專家在接受採訪時均肯定GaN如今更優於矽的能力。

宜普電源轉換公司(EPC)執行長Alex Lidow在CES 2022接受《Power Electronics News》採訪時表示,他確信GaN現已證明其凌駕於矽之上了。採用GaN的快速充電器市場目前表現良好,但正如Lidow所指出的,快速採用48V伺服器的爆炸式成長也確保了GaN進一步用於DC/DC轉換解決方案。

Lidow說:「我們還看到在電動出行(e-mobility)應用中迅速採用GaN——這可能是今年的重點新聞,我認為接下來將會出現開始使用GaN的小型機車和無人機的報導,原因很明顯,當然就是因為尺寸更小、更輕以及更高效率,所以我認為今年是一個很好的機會。」此外,「光達(LiDAR)已經存在好幾年了;這並不是什麼新聞。但光達的新鮮事在於它正迅速地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,甚至是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馬達。我認為GaN並不會很快地在牽引逆變器中被採用,但對於風扇馬達等應用,GaN提供的馬達驅動比MOSFET更安靜得多。此外,GaN在座椅馬達、電動轉向和電動空調中也佔有一席之地。」

2022年國際消費性電子展(CES 2022)。(圖片來源:Consumer Technology Association)

GaN技術

目前有三大趨勢正在推動電力電子技術的發展:能源效率、電氣化和數位經濟(資料無處不在)。這些變化需要改變電力工程師如何建構系統的方式。因此,到處都可以看到成長的前景。資料中心、5G、工業馬達、微移動(micromobility)、再生能源和電動車等則是一些較不明顯的高成長領域。

在快速充電器和其他消費類應用中,GaN將繼續取代傳統的矽,最終將接管資料中心以及家用太陽能和儲存應用。電動車中的車載充電器(OBC)和DC/DC轉換器將越來越多地使用GaN技術。Navitas Semiconductor企業行銷和投資者關係副總裁Stephen Oliver在CES開幕式時表示,他堅信隨著GaN功率級的攀升,GaN將蠶食早期SiC技術的市佔率。電動車架構師也將從「馬達+車軸」轉向「輪內」驅動。

在CES上,Navitas展示其GaNFast功率IC,整合了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。Oliver還透露了GaNFast技術如何透過經驗證的650/800V GaNFast平台之功率升級、熱增強版本進行增壓,現在進一步升級到700/800V,以因應下一代太陽能、資料中心和電動車快速充電應用的挑戰。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(Tesla) Model 3 Performance。

Oliver說:「除了透過更高功率和更高度的整合及功能來推進GaN技術,我們還有支援設計以及與策略客戶和合作夥伴合作的舉措。最近的新聞發佈包括與Anker合作開發快速充電器;來自Enphase [太陽能]、Brusa [電動車]和Compuware [資料中心]的證言;還有以新應用為中心的設計中心。上個月,我們宣佈在中國杭州開設一個新的設計中心,致力於導入下一代GaN功率IC和相關的高效、高功率密度系統,使世界各地的資料中心能夠從矽升級到GaN。本月,我們在上海成立了新的Navitas電動車設計中心。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——包括軟體開發以及完整的模擬和原型設計能力。新團隊將為全球的資料中心和電動車客戶提供支援,從概念到原型再到全面認證和大規模生產。」

在CES上,GaN Systems展示了一些業界基於GaN的消費電子解決方案,包括GaN充電器和GaN音訊以及汽車。GaN Systems策略行銷副總裁Paul Wiener在受訪時表示:「GaN Systems展示了世界上最小的65W充電器,可為筆記型電腦供電。」

他補充道:「我們很高興展示在戴爾(Dell)、飛利浦(Philips)、哈曼(Harman)等知名品牌商品中所用的GaN充電器。在音訊方面,我們展示了Gen2放大器參考設計Syng Alpha Cell揚聲器,它還被《時代》(Time)雜誌評為2021年100項最佳發明之一;Orchard Audio的多合一Starkrimson Streamer Ultra;以及帶有Axign控制器晶片的革命性D類音訊放大器。而在汽車領域,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組中的應用。」

應用

Navitas表示,除了用於筆記型電腦和行動裝置的超快速充電器外,下一代GaN半導體的重大機會在於透過節省資料中心的能源、提供高效太陽能逆變器以及加速電動車的採用,從而「為我們的世界供電」(Electrify Our World)。

快速充電器適於用來說明GaN如何有效地被採用,並因而導致巨大的市場滲透。據Navitas稱,GaN IC提供了當前可攜式電子產品所期望的極其可攜、高功率密度、重量輕和高性能的解決方案。Oliver說:「GaN存在此市場的原因有很多,而且也將在越來越多的領域中變得更加普遍。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,也意味著GaN能夠為可持續性和減少碳排放做出重大貢獻。

「例如在資料中心,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於所有資料中心,可以節省超過15TWh或每年19億美元的電力成本,」他補充說。「針對再生能源,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GaN的採用。在電動車中部署GaN的同時,GaN使讓EV製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車的採用速度加快三年,從而使道路部門的CO2排放量再減少20%。」

太陽能。(圖片來源:EPC)

根據Wiener的說法,半導體經濟學的原理正在發揮作用。Wiener說:「更高的產量推動了製程知識的增加和性能的提高,並降低了成本。我們今天看到了其中的一些,使GaN能夠在矽MOSFET、IGBT和SiC目前佔有一席之地的低功率和高功率應用中取代其他電晶體技術。」

對於GaN系統,最引人注目的要算是GaN充電器了。「它們在許多消費電子出版品中得到了廣泛的報導,但最重要的是,你會看到從蘋果(Apple)到Dell等大公司都首次推出了GaN充電器,」Wiener說。「最有力的論據是,GaN是滿足電力電子產業對於效率、尺寸和成本需求的最佳技術。GaN的性能比矽好13倍,也比碳化矽(SiC)好6倍。」

Navitas GaNFast Power IC及其相關應用。(圖片來源:Navitas)

除了快速充電器,如前所述,Lidow將電動車視為一個不斷成長中的市場,在關注綠色議題時,他指出最大的問題不是電動車是否100%環保,而是我們電網的綠化程度。「在能源效率方面,與內燃機相比,用電動馬達移動物品的能源效率為4:1,而如果電網是燃煤的,可能會產生負面影響。」他說:「我認為這就是我們需要轉移注意力的地方。電動車來了;我們必須透過投資再生能源來整理電網。對於太陽能,找到正確的峰值工作點至關重要;GaN透過DC/DC功率點追蹤器找到了應用所在,而且也在使用GaN和SiC的逆變器中找到了合適的應用位置。目前採用中央逆變器的一些大型裝置多半基於SiC,但還有一些小型逆變器正在尋找進入太陽能應用的途徑。」

下一代功率元件必須採用滿足性能、效率和價值要求的技術,而GaN正成為一個重要組成部份。然而,在評估GaN解決方案時,出現了一個問題:什麼是射頻(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的初始基底是矽或SiC。目前SiC在RF領域已有很多應用。他說:「我認為GaN-on-GaN尚未成功有幾個原因。SiC的導熱性比GaN高得多。第二件事是GaN中的電子遷移率遠高於SiC,但僅在橫向元件中。」這是因為二維電子氣。因此,如果您切換到垂直元件,將會失去這一優勢。GaN電晶體處於更原始的發展狀態,這或多或少是相同的。

「此外,GaN-on-Si的生產方式與矽一樣,因此無需投資太多。」他總結說:「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製程。那麼,如果它並沒有比SiC具備更多優勢時,為什麼要進行如此巨額的資本投資呢?」

 

(參考原文:CES 2022 GaN Technology for the Next Future,by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年2月號雜誌

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