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作者：Ahmad Bahai，德州儀器（TI）公司首席技術官 我們可以想象一下：當你駕駛著電動汽車行駛在馬路上，電動車充電設備的充電效率可以達到你目前所用充電效率的兩倍；僅有一半大小的電機驅動比目前應用的效率更高；筆記本電腦電源適配器小到可以放進口袋。 電子設備的未來取決于電源管理創新。 或者設想一下：每個簡單的互聯網搜索查詢使用的電力足以灼燒一個60瓦燈泡約17秒。現在乘上每天發生的數十億次的查詢，便可以獲得數十億千瓦時的能耗。 更有效地管理能源并占用更小空間，所面臨的挑戰絲毫沒有減弱。氮化鎵（GaN）等新技術有望大幅改進電源管理、發電和功率輸出的諸多方面。預計到2030年，電力電子領域將管理大約80％的能源，而2005年這一比例僅為30％1。這相當于30億千瓦時以上的節能。這些電力足以為30多萬個家庭提供一年的電量。 任何可以直接從電網獲得電力的設備（從智能手機充電器到數據中心），或任何可以處理高達數百伏高電壓的設備，均可受益于氮化鎵等技術，從而提高電源管理系統的效率和規模。（白皮書下載：GaN將能效提高到一個新的水平。） 尋找理想開關 任何電源管理系統的核心是開關，可以打開和關閉電源。它就像墻上的照明開關一樣，但是速度會數百萬倍地快，尺寸會數百萬倍地小。效率（低損耗）、可靠性、集成度和可負擔性是半導體電源開關的關鍵屬性。 我們不斷地尋找理想的開關。理想的開關可以以極少“導通”電阻來導通電流，并在盡可能少的漏電流的情況下阻斷電流，同時阻斷關斷狀態下其端子上的明顯電壓。較高的開關頻率也意味著工程師可以設計出更小的整體功率變換解決方案。最重要的是，半導體開關必須可靠且能夠經濟高效地制造。 幾十年來，硅電源開關的功效、開關速度和可靠性都在不斷提高。這些器件已成功解決低電壓（低于100伏）或高電壓容差（IGBT和超結器件）中的效率和開關頻率問題。然而，由于硅的限制，因此無法在單個硅功率FET中提供所有這些功能。寬帶隙功率晶體管（如GaN和碳化硅（SiC））有望在高壓和高開關頻率條件下提供高功率效率，從而遠遠超過硅MOSFET產品。 GaN可以為您做什么 根據應用的不同，高效率的高頻開關可以將功率模塊的尺寸縮小3至10倍，但需要優化驅動器和控制器拓撲。圖騰柱AC/DC轉換器是一種不適用于硅片的拓撲結構，可受益于GaN的低導通電阻、快速開關和低輸出電容，從而提供三倍高的功率密度。諸如零電壓和零電流開關這樣的諧振架構可以減少開關損耗并提高整體效率，也可以受益于GaN的卓越開關特性。 許多應用需要從相對較高電壓（幾百伏）到低電壓的功率轉換以供電電路元件（如處理器）。具有高輸入至輸出電壓比的開關模式功率轉換器的效率較低。這些電源管理模塊通常涉及多個轉換階段。從中間的54/48伏總線直接轉換到處理器內核電壓可以降低成本并提高效率。氮化鎵憑借其獨特的開關特性，成為直接轉換架構的強有力候選者。目前正在研究數據中心應用服務器電源管理的直接轉換。 此外，自動駕駛車輛激光雷達驅動器、無線充電和5G基站中的高效功率放大器包絡線跟蹤等應用可從GaN技術的效率和快速切換中受益。 GaN功率器件的傳導損耗降低，并伴隨著更高的開關頻率，從而導致更高的功率密度。但熱管理和寄生效應無法縮放！在更小的體積中集中更多的功率為散熱和封裝帶來新的挑戰。較小的模面面積限制了傳統封裝技術的效率。三維散熱是GaN封裝的一個很有前景的選擇。 生活更環保 為了打破成本和大規模采用周期，一種新型功率半導體技術需要解決最引人注目應用中現有設備的一些缺點。氮化鎵為功率調節的發展創造了機會，使其在高電壓應用中的貢獻遠遠超越硅材料。用于工業電機驅動或并網儲能系統的逆變器可以極大地受益于GaN器件提供的更高密度。 GaN還提供其他獨特的未開發特性，可以為未來的電源管理提供新的價值和機會。與典型的PN結MOSFET不同，GaN器件的雙向結構可以使用雙柵結構控制電流。用于電機驅動的矩陣轉換器可以通過利用雙向設備潛在地減少開關的數量。此外，氮化鎵器件可以在比硅器件更高的溫度下工作，這使其成為許多熱門應用（如集成電機驅動）的有吸引力的選擇。 GaN等突破性技術的長期影響是顯著的：較低的功率損耗意味著我們不需要很多新發電廠來滿足日益增長的電力需求。更高的功率密度意味著更多的集成。電池供電電路（例如電動車輛、無人機和機器人中的電路）可以更高效地運行更長時間。數據中心將更有效地運作，利用其數以千計的服務器幫助我們與朋友和同事聯系。我們將能夠過上更加環保的生活。 |
