GaN技術是如何飛入尋常百姓家

電子工程世界EEWorld

2021年5月11日 11:00

隨著人們環保意識的增強，以及制定的碳達峰/碳中和的目標，市場對更高效率、更高功率密度的電源管理產品需求不斷提升，這給了第三代半導體技術相當廣闊的發展空間。

第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等惡劣條件的新要求，相比硅基半導體可以降低50%以上的能量損失。

眾多電源管理或射頻公司，已經將第三代半導體作為公司發展的重要戰略目標，包括ST、英飛凌、德州儀器、PI、羅姆、Qorvo、NXP、WolfSpeed等公司，都在第三代半導體上積極響應。

從手機充電器開始

GaN技術誕生時間很長，但應用卻非常新，至少在消費市場是如此。“在過去的十年中，GaN電源市場主要由高端、高性能的應用推動，這些應用在系統級提供了高頻開關、低導通電阻和更小的外形尺寸。” Yole Development分析師Ezgi Dogmus在2019年底一篇文章中評論道。“但是，2019年GaN功率正在發生變化。”

GaN正在進入主流消費應用中，手機制造商OPPO在2019年10月宣布在其65W內置快速充電器中為其新Reno Ace旗艦機選擇了基于GaN的超級閃充技術，這是GaN功率器件首次進入大批量智能手機市場。

而在OPPO官宣一周前，Power Integrations, Inc.（以下簡稱PI）的CEO Balu Balakrishnan來到深圳，參加了安克創新深圳總部的活動，他親手將PI第一百萬顆采用該公司PowiGaN技術的InnoSwitch3開關電源IC交到了安克CEO陽萌手中。距離2018年10月25日安克在美國紐約發布的首款“ANKER PowerPort Atom PD1”GaN充電器時間不足一年。

2020年，手機OEM商掀起了一陣取消原裝適配器的熱潮。取消的一大重要原因，就是GaN充電器開始在市場上嶄露頭角。這種采用第三代半導體所開發的快速充電器，具有小尺寸、高效率、功率密度大等特點，極大改善了消費者的使用體驗。

據PI市場副總裁Doug Bailey介紹，基于GaN，PI 可以應用在美觀時尚的快速充電器，與高端或者大眾市場的智能移動設備搭配一起作為產品的特色。同時，GaN 65W充電器在配件市場非常暢銷，可以以低于25美元的價格購買到。

2020年PI GaN產品的銷售額約為1000萬美元，并預計將在2021年翻1至3倍，這和市場的樂觀預期相一致。在短短的一年多時間內，我們看到家中越來越多的充電器已經替換成了快充，一個不起眼的科技革新讓更多人可以更好地享受移動生活的便利性。

長期專注GaN研發

2010年，PI收購了Velox Semiconductor，并利用該公司在GaN功率器件的研究成果創建了“ PowiGaN”技術。采用了和其他公司不同的方法，將GaN開關集成到其第三代集成式InnoSwitch器件中，通過高集成度的方式實現了產品的差異化。

由于GaN的轉換頻率較高，在處理EMI上非常棘手，而在同一個封裝中，工程師無需額外關注EMC和EMI的問題。“我們認為PI已經超越了許多競爭對手，它們正在銷售分立的GaN FET，這些GaN FET難以使用并且需要大量的設計工作。而PI提供的高度集成的IC解決方案易于使用，且具有顯著的性能和尺寸優勢。”Doug表示。獨立的GaN FET產品看似可以靈活應用于各產品，但卻缺乏針對性優化。而在高集成方式下，InnoSwitch可以更好地針對65W或其他規格的充電器進行細致優化。并且由于無需更多額外的周邊元件，可靠性也會相應提升。

值得一提的是，由于GaN高集成度解決方案，設計人員無需學習新技術、他們只需在基于PowiGaN的反激式開關IC中進行設計即可立即獲得GaN提供的功率和尺寸優勢。設計人員可以更快地將產品推向市場，實現更少的組件數量和較小的PCB尺寸等高集成度的優勢。

正是因為在GaN領域研發的持續性投入，PI積累了大量技術和專業知識。提供全面的參考設計，以及一支專業的全球FAE團隊，以支持客戶的設計工作。PI的CEO Balu此前曾表示，“我們始終專注于對研發的長期投入，著眼于擴大我們的潛在市場并開發具有顛覆性的技術。這些努力需要很多年才能完全實現，但我們實現了，并且我對未來幾年感到興奮，因為如今我們已經看到了長期投資的回報。”

從未止步

PI一直擅長于將其獨有的工藝技術延伸至其各種復雜的產品組合中，比如無需使用任何磁芯材料即可在安規隔離帶之間進行反饋控制的FluxLink通信技術，已經廣泛應用在適配器、汽車、LED等多項應用中，并取得了成功。PowiGaN正在復制著此條道路。

PI的MinE-CAP IC可與InnoSwitch3反激式轉換器搭配使用，兩種器件均使用了PowiGaN技術。LYTSwitch?-6 LED驅動器IC也使用GaN。 “ 對于許多應用而言，GaN是一種比硅更好的開關技術，我們預計未來的許多產品都將集成PowiGaN，我相信新的應用也將從PowiGaN中受益。 ”Doug信心滿滿地表示。

PowiGaN在快充市場已經交付了滿意的答卷，在電視、冰箱等家電中的應用展現了優異的性能，不光是因為尺寸問題，更重要的是其高效率的特性。盡管對于某些領域來說，電源轉換效率已經達到了95%之多，提升至96%看似只有一個點的提升，但這意味著散熱性能提高了20%之多。也就意味著可以采用更小甚至無需散熱片，這會極大增強整個系統的魯棒性。如今PI的PowiGaN以更高效率，更小體積的產品設計，廣泛地應用于眾多領域，包括工業、消費、照明和商用等。

根據市場研究公司MarketsandMarkets發布的一份報告，氮化鎵（GaN）半導體器件市場預計將從2016年165億美元上漲到2023年224.7億美元，2017年到2023年的復合年增長率（CAGR）達到4.6%。第三代半導體在市場需求、技術進步以及資本的加持下，展現出喜人的增長勢頭，相信Doug暢想的愿景不久將會實現，GaN將在所有應用市場中發揮舉足輕重的作用。

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