基于GaN晶体管的500W电机驱动方案 GaN和汽车究竟是什么关系
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- myb2b
- 2021-05-24 17:17
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- 1楼13724312466a
- 2021-05-24 17:22
在 PCIM Europe 2020、SEMICON China 2020 等一些与功率半导体相关的国际会议上，以 GaN（氮化镓）和 SiC（碳化硅）为代表的宽带隙（WBG）半导体继续占据着演讲台的“C 位”，尤其是 GaN 在未来汽车中的角色更是令人兴奋，为未来很长一段时间的行业发展带来了机遇。今天就谈谈 GaN 和汽车究竟是什么关系，当然也少不了提及其同门兄弟 SiC。
氮化镓欲复制功率 MOSFET 的成功
历史总是惊人地相似。EPC 公司 CEO 兼共同创始人 Alex Lidow 博士讲了一个故事：“44 年前，当我第一次开发功率器件时，‘兽中之王’是硅功率双极晶体管。”1978 年，他的国际整流器公司（IR）推出了功率 MOSFET，作为一种更快速度的替代品，它取代了较慢和老化的双极器件。功率 MOSFET 的早期采用者是两极不够快的应用。其采用的标志性例子是台式计算机开关电源，先是苹果，然后是 IBM。
他说，直到 20 世纪 80 年代中期，功率 MOSFET 的量产才使功率 MOSFET 的成本与双极晶体管相当。那时，IR 发起了替代双极晶体管的进攻，目标是占据双极晶体管市场最大份额的摩托罗拉。作为回应，摩托罗拉强调，MOSFET 存在可靠性、高价格和不可靠的供应链等问题。
尽管如此，功率 MOSFET 仍然在双极晶体管之前占主导地位的应用中获得了认可。摩托罗拉认识到这项新技术的优势，也推出了功率 MOSFET，并承诺两项技术“我们都做，所以从我们这里购买最好”。问题是，它没有做出最好的功率 MOSFET，最终输掉了半导体材料之争。
具有讽刺意味的是，如今功率 MOSFET 是“兽中之王”，而硅基氮化镓（GaN-on-Si）功率器件则是挑战者。GaN 晶体管开关比 MOSFET 快 10 倍，比 IGBT 快 100 倍。GaN 是不是会复制功率 MOSFET 的成功历史呢？
堂前燕飞入百姓家
在 CES 2020 通过手机充电器引爆主流消费市场之前，GaN 功率市场的驱动力主要是那些成本不敏感的高端和高性能应用，如航空航天、军事领域等。这些应用需要的就是高性能、高频开关、低导通电阻和较小封装尺寸的芯片或模块。
GaN 功率器件的开始了旧时王谢堂前燕飞入寻常百姓家的变化，更是出现了新产品目不暇接的局面，GaN 终于迎来了自己的颠覆时刻。
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GaN 功率器件正向大功率进发
我们看到，基于 GaN 的解决方案具备更高效率、可靠性和功率密度，因此可以提升各种功率系统的性能，其功率密度是硅 MOSFET 所无法实现的。2020 年，GaN（还有 SiC）在成本方面已达到广泛采用的程度，尽管其总的市场份额仍然很低。随着成本下降，预计到 2025 年这些器件的年复合增长率将接近 30%。
GaN 可能无处不在
为了使产品在竞争中脱颖而出，或实现无法达到成本和性能目标的一些产品，GaN 已进入电子行业的视野，其性能、可靠性和解决方案引起了业界广泛关注。在这方面，GaN Systems 销售和营销副总裁 Larry Spaziani 有话要说。
他指出，宽带隙市场的推动力在于，其材料具有比硅相宽很多的带隙，可以在高电压、高温度和高频率下工作，满足不断增长的提高能源效率和延长电池寿命的需求。“GaN 会走向何方呢？它几乎无处不在。这一预测可以从各细分市场的亮点和进展中看出。”Larry Spaziani 说。
先来看 AC/DC，2019 年末，GaN 已出现在适配器中，2020 年开始大规模量产。功率密度要达到 100W/in3，效率达到 99%，就必须使用宽带隙。先是 SiC 二极管进入市场，而现在 GaN 开始在服务器开关电源领域占据主导地位。服务器电源正在向 48V 和 100V 的 GaN 和低压硅结合的方向发展，这一趋势已经显现。到 2024 年，几乎每台服务器的 AC/DC 侧都将由宽带隙控制，在 48V AC/DC 侧将有显著的 GaN 含量。
电机是全球耗电大户，尽管电压很高，硅仍然是主流。不过，GaN 和 SiC 都在向高效率变频驱动的电机驱动系统进军。但这个市场非常保守，适应新技术的速度很慢，到 2025 年将有 10%到 15%的替代率。
Larry Spaziani 认为，在成本高度敏感、产品种类繁多的消费市场，高端产品已开始转向 GaN，到 2025 年中后期将达 50%。例如，电视机中的高频 AC/DC 电源可以做成超薄型。目前，大部分高端音响系统也改用了 GaN。在家用电器方面，全球对效率的要求需要高端压缩机和功率因数校正（PFC）电路采用 GaN 和 SiC。
太阳能和储能行业对成本同样敏感，接受新技术时非常谨慎。但在过去 5 年，宽带隙产品已经慢慢地渗透到这个市场。虽然 GaN 比 SiC 好，但 GaN 没有太阳能逆变器所需的高电压。
高可靠性 / 军事部分更需要高性能、小尺寸和低重量，对成本不敏感，这是 GaN 和 SiC 最快的采用者之一。正是这个市场证明了宽带隙优于其他产品的可靠性。
未来，汽车将是宽带隙产品的最大市场，由于更高的性能和更高的可靠性，GaN 将在 2020 年和 2021 年迎来大规模采用，重点是电动汽车的车载充电器（OBC）、AC/DC 功率转换和牵引逆变器。
全 GaN 汽车的证明
在 PCIM Europe 2020 上，GaN Systems 首席执行官 Jim Witham 介绍了一款 All-GaN（全氮化镓）汽车。他说：“GaN 技术正在改变整个行业的游戏规则。最新的 GaN 解决方案、设计工具和产品已在消费类、工业、汽车和数据中心等行业赢得了客户的广泛青睐。”
全 GaN 汽车是此前名古屋大学利用 GaN Systems 的技术开发的。它采用可再生能源的太阳能蓄电池，证明了 GaN 在汽车功率转换方面的可行性，当然也适合所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。
氮化镓欲复制功率 MOSFET 的成功
历史总是惊人地相似。EPC 公司 CEO 兼共同创始人 Alex Lidow 博士讲了一个故事：“44 年前，当我第一次开发功率器件时，‘兽中之王’是硅功率双极晶体管。”1978 年，他的国际整流器公司（IR）推出了功率 MOSFET，作为一种更快速度的替代品，它取代了较慢和老化的双极器件。功率 MOSFET 的早期采用者是两极不够快的应用。其采用的标志性例子是台式计算机开关电源，先是苹果，然后是 IBM。
他说，直到 20 世纪 80 年代中期，功率 MOSFET 的量产才使功率 MOSFET 的成本与双极晶体管相当。那时，IR 发起了替代双极晶体管的进攻，目标是占据双极晶体管市场最大份额的摩托罗拉。作为回应，摩托罗拉强调，MOSFET 存在可靠性、高价格和不可靠的供应链等问题。
尽管如此，功率 MOSFET 仍然在双极晶体管之前占主导地位的应用中获得了认可。摩托罗拉认识到这项新技术的优势，也推出了功率 MOSFET，并承诺两项技术“我们都做，所以从我们这里购买最好”。问题是，它没有做出最好的功率 MOSFET，最终输掉了半导体材料之争。
具有讽刺意味的是，如今功率 MOSFET 是“兽中之王”，而硅基氮化镓（GaN-on-Si）功率器件则是挑战者。GaN 晶体管开关比 MOSFET 快 10 倍，比 IGBT 快 100 倍。GaN 是不是会复制功率 MOSFET 的成功历史呢？
堂前燕飞入百姓家
在 CES 2020 通过手机充电器引爆主流消费市场之前，GaN 功率市场的驱动力主要是那些成本不敏感的高端和高性能应用，如航空航天、军事领域等。这些应用需要的就是高性能、高频开关、低导通电阻和较小封装尺寸的芯片或模块。
GaN 功率器件的开始了旧时王谢堂前燕飞入寻常百姓家的变化，更是出现了新产品目不暇接的局面，GaN 终于迎来了自己的颠覆时刻。
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GaN 功率器件正向大功率进发
我们看到，基于 GaN 的解决方案具备更高效率、可靠性和功率密度，因此可以提升各种功率系统的性能，其功率密度是硅 MOSFET 所无法实现的。2020 年，GaN（还有 SiC）在成本方面已达到广泛采用的程度，尽管其总的市场份额仍然很低。随着成本下降，预计到 2025 年这些器件的年复合增长率将接近 30%。
GaN 可能无处不在
为了使产品在竞争中脱颖而出，或实现无法达到成本和性能目标的一些产品，GaN 已进入电子行业的视野，其性能、可靠性和解决方案引起了业界广泛关注。在这方面，GaN Systems 销售和营销副总裁 Larry Spaziani 有话要说。
他指出，宽带隙市场的推动力在于，其材料具有比硅相宽很多的带隙，可以在高电压、高温度和高频率下工作，满足不断增长的提高能源效率和延长电池寿命的需求。“GaN 会走向何方呢？它几乎无处不在。这一预测可以从各细分市场的亮点和进展中看出。”Larry Spaziani 说。
先来看 AC/DC，2019 年末，GaN 已出现在适配器中，2020 年开始大规模量产。功率密度要达到 100W/in3，效率达到 99%，就必须使用宽带隙。先是 SiC 二极管进入市场，而现在 GaN 开始在服务器开关电源领域占据主导地位。服务器电源正在向 48V 和 100V 的 GaN 和低压硅结合的方向发展，这一趋势已经显现。到 2024 年，几乎每台服务器的 AC/DC 侧都将由宽带隙控制，在 48V AC/DC 侧将有显著的 GaN 含量。
电机是全球耗电大户，尽管电压很高，硅仍然是主流。不过，GaN 和 SiC 都在向高效率变频驱动的电机驱动系统进军。但这个市场非常保守，适应新技术的速度很慢，到 2025 年将有 10%到 15%的替代率。
Larry Spaziani 认为，在成本高度敏感、产品种类繁多的消费市场，高端产品已开始转向 GaN，到 2025 年中后期将达 50%。例如，电视机中的高频 AC/DC 电源可以做成超薄型。目前，大部分高端音响系统也改用了 GaN。在家用电器方面，全球对效率的要求需要高端压缩机和功率因数校正（PFC）电路采用 GaN 和 SiC。
太阳能和储能行业对成本同样敏感，接受新技术时非常谨慎。但在过去 5 年，宽带隙产品已经慢慢地渗透到这个市场。虽然 GaN 比 SiC 好，但 GaN 没有太阳能逆变器所需的高电压。
高可靠性 / 军事部分更需要高性能、小尺寸和低重量，对成本不敏感，这是 GaN 和 SiC 最快的采用者之一。正是这个市场证明了宽带隙优于其他产品的可靠性。
未来，汽车将是宽带隙产品的最大市场，由于更高的性能和更高的可靠性，GaN 将在 2020 年和 2021 年迎来大规模采用，重点是电动汽车的车载充电器（OBC）、AC/DC 功率转换和牵引逆变器。
全 GaN 汽车的证明
在 PCIM Europe 2020 上，GaN Systems 首席执行官 Jim Witham 介绍了一款 All-GaN（全氮化镓）汽车。他说：“GaN 技术正在改变整个行业的游戏规则。最新的 GaN 解决方案、设计工具和产品已在消费类、工业、汽车和数据中心等行业赢得了客户的广泛青睐。”
全 GaN 汽车是此前名古屋大学利用 GaN Systems 的技术开发的。它采用可再生能源的太阳能蓄电池，证明了 GaN 在汽车功率转换方面的可行性，当然也适合所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。
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