北京2018年11月15日電(dian) /美通社/ -- 從“磚頭”手機(ji)(ji)到笨重的(de)電(dian)視機(ji)(ji)，電(dian)源模(mo)塊曾經在電(dian)子電(dian)器(qi)產品中占據相當大的(de)空(kong)間(jian)，而且市(shi)場對更高功率(lv)密度的(de)需求仍是有增無減。

硅電源技術(shu)領域的創新曾一(yi)度大幅縮減這些應(ying)用的尺寸(cun)，但(dan)卻(que)很難更進一(yi)步(bu)。在現有尺寸(cun)規格下(xia)，硅材料無法(fa)在所需的頻率下(xia)輸出(chu)更高的功率。而對(dui)于即將推出(chu)的5G無線網(wang)絡，以及未來的機器人、可再生能源直至(zhi)數(shu)據中心技術(shu)，功率都是一(yi)個(ge)至(zhi)關重(zhong)要的因素。

“工程(cheng)師現在處(chu)于一個(ge)非常尷尬的境地，一方面他們(men)無法在現有(you)空(kong)間內繼續提(ti)高功率，但同時又不(bu)希(xi)望增大設備所需的空(kong)間，”德州儀器產品(pin)經理 Masoud Beheshti 說(shuo)，“如果(guo)不(bu)能增大尺寸，那么只能提(ti)升功率密度。”

GaN 的時代

60多年以(yi)來，硅一(yi)直(zhi)都是電(dian)氣組(zu)件中的(de)基礎材料(liao)，廣泛(fan)用于交流(liu)電(dian)與(yu)直(zhi)流(liu)電(dian)轉換，并(bing)調整直(zhi)流(liu)電(dian)壓以(yi)滿足從手(shou)機(ji)到(dao)工業(ye)機(ji)器人等眾多應(ying)用的(de)需求。雖然(ran)必要(yao)的(de)組(zu)件一(yi)直(zhi)在(zai)持續改(gai)進和優化(hua)，但物理(li)學(xue)意義(yi)上的(de)極限卻是橫亙在(zai)硅材料(liao)面(mian)前(qian)的(de)一(yi)條(tiao)無法逾(yu)越的(de)鴻溝。

與此同時，一種基于(yu) GaN 的(de)全新(xin)電源和轉化系統正應(ying)運而生，它們的(de)功率(lv)損耗更低，產生的(de)熱量也(ye)更少(shao)。由于(yu)高溫會(hui)提(ti)高運行成本、干擾網(wang)絡信號并誘發設備故障(zhang)，這些特性便顯(xian)得尤為重要。

GaN 可(ke)處理更高(gao)頻率(lv)和的(de)(de)電源，與硅(gui)組件相比，它可(ke)以(yi)在尺(chi)寸和能耗(hao)減(jian)半的(de)(de)條件下(xia)輸送(song)同(tong)等(deng)的(de)(de)功率(lv)。由(you)此便可(ke)以(yi)提高(gao)功率(lv)密度，幫助客戶在不增大設計空間(jian)的(de)(de)同(tong)時滿足更高(gao)的(de)(de)功率(lv)要(yao)求。

更(geng)高的頻率交換(huan)(huan)意味著 GaN 可(ke)以一(yi)次轉換(huan)(huan)更(geng)大范圍的功率，減少復(fu)雜裝置中的功率變(bian)換(huan)(huan)。由于每次功率變(bian)換(huan)(huan)都會產生(sheng)新(xin)的能耗，這對于很(hen)多高壓應用都是一(yi)項顯著的優勢。

當(dang)然，一(yi)項已(yi)經(jing)持續發(fa)展60年的(de)技術不(bu)會(hui)(hui)一(yi)夜之間被取代(dai)，但(dan)經(jing)過多年的(de)研究、實際驗證和，GaN 定會(hui)(hui)成為解決功率密度問題的(de)較(jiao)佳技術。德州(zhou)儀器已(yi)經(jing)在(zai)高于硅材料的(de)工(gong)作溫度和電壓下，對 GaN 裝置進行(xing)了2000萬(wan)小時的(de)加速可靠(kao)性測(ce)試。在(zai)此測(ce)試時間內(nei)，遠程飛行(xing)世界紀錄保(bao)持者 GlobalFlyer 可繞地球飛行(xing)259,740次。

 “我們確信(xin) GaN 工藝、技術和裝置完全合格，而且已(yi)經具備批量化生(sheng)產的條(tiao)件，”Masoud 說。

德州儀器與工程設(she)計發展聯合協(xie)會(hui)標準機(ji)構(gou)分享了這(zhe)些 GaN 資格協(xie)議，并(bing)將(jiang)負責(ze)其(qi) GaN 資格認(ren)證委員會(hui)。

GaN 的未來發展

在一些功率密度為優先特性的關鍵行業，GaN 已經開始替代硅材料。“目前德州儀器已經完成了 GaN 的封裝和測試，對于功率密度為優先考慮要素的客戶而言，他們又多了一種新的選擇，”德州儀器產品營銷工程師 Arianna Rajabi 說。

批量化生產 GaN 功率模塊的較(jiao)佳適用行業包括：

制造：現在一(yi)般的(de)機器(qi)(qi)人手臂實(shi)際上并(bing)(bing)(bing)未集成手臂工(gong)作(zuo)所需(xu)的(de)所有電子組(zu)(zu)件。由于功(gong)率(lv)變換和(he)電機驅動組(zu)(zu)件的(de)尺寸過(guo)大，而且能效(xiao)不高(gao)，它們通(tong)常安裝在單獨(du)的(de)機柜中，并(bing)(bing)(bing)通(tong)過(guo)長距離的(de)布線連接到機器(qi)(qi)人手臂。這(zhe)便降低了工(gong)業(ye)機器(qi)(qi)人單位立方米的(de)生產效(xiao)率(lv)。利用 GaN 技術，可以(yi)更簡(jian)單地將(jiang)驅動和(he)功(gong)率(lv)變換組(zu)(zu)件集成至機器(qi)(qi)人中。這(zhe)樣(yang)便可以(yi)簡(jian)化設(she)計(ji)、減(jian)少繁冗的(de)布線并(bing)(bing)(bing)降低運行成本。

數據中心：隨著市場對數字化(hua)服務需(xu)求的提高，數據(ju)中(zhong)心正在經(jing)歷一(yi)場變革，轉而采用48V直流電(dian)(dian)源直接(jie)供(gong)電(dian)(dian)。傳統的硅功(gong)率(lv)變換(huan)模(mo)塊(kuai)無法有效地將(jiang)48V電(dian)(dian)壓(ya)一(yi)次轉化(hua)為大(da)多數計算機硬件所要(yao)求的低(di)(di)電(dian)(dian)壓(ya)。而中(zhong)間步(bu)驟則會降低(di)(di)數據(ju)中(zhong)心的功(gong)率(lv)效率(lv)。GaN 可以(yi)在輸送至服務器和芯(xin)片之前(qian)將(jiang)電(dian)(dian)壓(ya)從48V降低(di)(di)至負載點電(dian)(dian)壓(ya)。這(zhe)樣可以(yi)大(da)幅降低(di)(di)電(dian)(dian)源配送損耗(hao)并將(jiang)變換(huan)損耗(hao)減少30%。

無線服務：大(da)范(fan)圍的5G網絡覆(fu)蓋(gai)要求運(yun)營商部(bu)署更高(gao)功(gong)率和運(yun)行頻率的設備。鑒于網絡運(yun)營商不希望(wang)提(ti)高(gao)信號塔設備的尺寸，GaN 的功(gong)率密(mi)度優勢(shi)可以滿足(zu)他們的需求。

可再生能源：可(ke)(ke)再生能(neng)(neng)源的(de)(de)產生和存儲(chu)也需要(yao)功(gong)率(lv)變換，因(yin)此(ci) GaN 的(de)(de)效(xiao)率(lv)優勢(shi)可(ke)(ke)發(fa)揮關鍵性作用。在可(ke)(ke)再生能(neng)(neng)源規劃中，通常是采用智能(neng)(neng)電(dian)網的(de)(de)方(fang)式存儲(chu)能(neng)(neng)源。如果可(ke)(ke)以在風力渦輪機靜止時或太陽能(neng)(neng)帆板(ban)不(bu)再吸收陽光(guang)時，更高效(xiao)地將電(dian)能(neng)(neng)轉(zhuan)入和轉(zhuan)出大儲(chu)量電(dian)池，這(zhe)將成為一(yi)項(xiang)非(fei)常顯著的(de)(de)優勢(shi)。德州儀器與合(he)作伙伴已(yi)經證實，GaN 能(neng)(neng)夠以90%的(de)(de)效(xiao)率(lv)轉(zhuan)化10千(qian)瓦的(de)(de)可(ke)(ke)再生能(neng)(neng)源，這(zhe)對(dui)于(yu)電(dian)力企業來說(shuo)是一(yi)個(ge)非(fei)常出色的(de)(de)性能(neng)(neng)基(ji)準(zhun)。

未(wei)來(lai)，GaN 將繼續(xu)擴展至消(xiao)費者(zhe)電子產(chan)品(pin)等應用，打造(zao)更(geng)薄(bo)的(de)平板顯示器，并減(jian)少(shao)可充電設備的(de)能源(yuan)浪費。

“如果(guo)您只是需要3%或4%的能效提升(sheng)，您可以(yi)利用其它很(hen)多方法實現(xian)，”Masoud 說，“但是，如果(guo)您希望(wang)功率密度翻番，那么 GaN 則是您的優先選擇(ze)。”

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1. 參閱《電源設計基礎》

作者簡介：

羅伯特A曼馬諾( Robert A. Mammano) 是電力電子領域的先驅，在模擬電源控制領域,擁有超過50年的經驗。他還被稱為"PWM 控制器行業之父"，于1974年設計了第一個完全集成的 PWM 控制器 IC SG1524。曼馬諾于1957年在科羅拉多大學獲得物理學學位，從此開始了他的職業生涯。

《電源設計基礎》是全球電源行業具有豐富電源設計和控制芯片應用知識和經驗的 Robert Mammano 先生將其多年來在 Unitrode/TI 公司電源設計研討會培訓的系列資料整理成書在2017年初出版的。

全書內容豐富、完整，囊括了從電路元器件，電源基本電路拓撲，各種控制策略，磁元件設計，輔助電源電路，電磁噪聲處理，電源故障管理，實現高效率設計，數字功率控制以及電源結構這些涉及電源幾乎所有方方面面的完整內容。

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