尺寸減半、功率翻番！——氮化鎵（GaN）技術(shù)給機(jī)器人、可再生能源和電信等領(lǐng)域帶來革新

作者：德州儀器

從“磚頭”手機(jī)到笨重的電視機(jī)，電源模塊曾經(jīng)在電子電器產(chǎn)品中占據(jù)相當(dāng)大的空間，而且市場對更高功率密度的需求仍是有增無減。

硅電源技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新曾一度大幅縮減這些應(yīng)用的尺寸，但卻很難更進(jìn)一步。在現(xiàn)有尺寸規(guī)格下，硅材料無法在所需的頻率下輸出更高的功率。而對于即將推出的5G無線網(wǎng)絡(luò)，以及未來的機(jī)器人、可再生能源直至數(shù)據(jù)中心技術(shù)，功率都是一個(gè)至關(guān)重要的因素。

“工程師現(xiàn)在處于一個(gè)非常尷尬的境地，一方面他們無法在現(xiàn)有空間內(nèi)繼續(xù)提高功率，但同時(shí)又不希望增大設(shè)備所需的空間，”德州儀器產(chǎn)品經(jīng)理Masoud Beheshti說，“如果不能增大尺寸，那么只能提升功率密度。”

GaN的時(shí)代

60多年以來，硅一直都是電氣組件中的基礎(chǔ)材料，廣泛用于交流電與直流電轉(zhuǎn)換，并調(diào)整直流電壓以滿足從手機(jī)到工業(yè)機(jī)器人等眾多應(yīng)用的需求。雖然必要的組件一直在持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，但物理學(xué)意義上的極限卻是橫亙在硅材料面前的一條無法逾越的鴻溝。

與此同時(shí)，一種基于GaN的全新電源和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)正應(yīng)運(yùn)而生，它們的功率損耗更低，產(chǎn)生的熱量也更少。由于高溫會(huì)提高運(yùn)行成本、干擾網(wǎng)絡(luò)信號(hào)并誘發(fā)設(shè)備故障，這些特性便顯得尤為重要。

GaN可處理更高頻率和更高能效的電源，與硅組件相比，它可以在尺寸和能耗減半的條件下輸送同等的功率。由此便可以提高功率密度，幫助客戶在不增大設(shè)計(jì)空間的同時(shí)滿足更高的功率要求。

更高的頻率交換意味著GaN可以一次轉(zhuǎn)換更大范圍的功率，減少復(fù)雜裝置中的功率變換。由于每次功率變換都會(huì)產(chǎn)生新的能耗，這對于很多高壓應(yīng)用都是一項(xiàng)顯著的優(yōu)勢。

當(dāng)然，一項(xiàng)已經(jīng)持續(xù)發(fā)展60年的技術(shù)不會(huì)一夜之間被取代，但經(jīng)過多年的研究、實(shí)際驗(yàn)證和 可靠性測試，GaN定會(huì)成為解決功率密度問題的最佳技術(shù)。德州儀器已經(jīng)在高于硅材料的工作溫度和電壓下，對GaN裝置進(jìn)行了2000萬小時(shí)的加速可靠性測試。在此測試時(shí)間內(nèi)，遠(yuǎn)程飛行世界紀(jì)錄保持者GlobalFlyer可繞地球飛行259,740次。

“我們確信GaN工藝、技術(shù)和裝置完全合格，而且已經(jīng)具備批量化生產(chǎn)的條件，”Masoud說。

德州儀器與工程設(shè)計(jì)發(fā)展聯(lián)合協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)分享了這些GaN資格協(xié)議，并將負(fù)責(zé)其GaN資格認(rèn)證委員會(huì)。

GaN的未來發(fā)展

在一些功率密度為優(yōu)先特性的關(guān)鍵行業(yè)，GaN已經(jīng)開始替代硅材料。“目前德州儀器已經(jīng)完成了GaN的封裝和測試，對于功率密度為優(yōu)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(chǎn)品營銷工程師Arianna Rajabi說。

批量化生產(chǎn)GaN功率模塊的最佳適用行業(yè)包括：

制造：現(xiàn)在一般的機(jī)器人手臂實(shí)際上并未集成手臂工作所需的所有電子組件。由于功率變換和電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件的尺寸過大，而且能效不高，它們通常安裝在單獨(dú)的機(jī)柜中，并通過長距離的布線連接到機(jī)器人手臂。這便降低了工業(yè)機(jī)器人單位立方米的生產(chǎn)效率。利用GaN技術(shù)，可以更簡單地將驅(qū)動(dòng)和功率變換組件集成至機(jī)器人中。這樣便可以簡化設(shè)計(jì)、減少繁冗的布線并降低運(yùn)行成本。

數(shù)據(jù)中心：隨著市場對數(shù)字化服務(wù)需求的提高，數(shù)據(jù)中心正在經(jīng)歷一場變革，轉(zhuǎn)而采用48V直流電源直接供電。傳統(tǒng)的硅功率變換模塊無法有效地將48V電壓一次轉(zhuǎn)化為大多數(shù)計(jì)算機(jī)硬件所要求的低電壓。而中間步驟則會(huì)降低數(shù)據(jù)中心的功率效率。GaN可以在輸送至服務(wù)器和芯片之前將電壓從48V降低至負(fù)載點(diǎn)電壓。這樣可以大幅降低電源配送損耗并將變換損耗減少30%。

無線服務(wù)：大范圍的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求運(yùn)營商部署更高功率和運(yùn)行頻率的設(shè)備。鑒于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商不希望提高信號(hào)塔設(shè)備的尺寸，GaN的功率密度優(yōu)勢可以滿足他們的需求。

可再生能源：可再生能源的產(chǎn)生和存儲(chǔ)也需要功率變換，因此GaN的效率優(yōu)勢可發(fā)揮關(guān)鍵性作用。在可再生能源規(guī)劃中，通常是采用智能電網(wǎng)的方式存儲(chǔ)能源。如果可以在風(fēng)力渦輪機(jī)靜止時(shí)或太陽能帆板不再吸收陽光時(shí)，更高效地將電能轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出大儲(chǔ)量電池，這將成為一項(xiàng)非常顯著的優(yōu)勢。德州儀器與合作伙伴已經(jīng)證實(shí)，GaN能夠以90%的效率轉(zhuǎn)化10千瓦的可再生能源，這對于電力企業(yè)來說是一個(gè)非常出色的性能基準(zhǔn)。

未來，GaN將繼續(xù)擴(kuò)展至消費(fèi)者電子產(chǎn)品等應(yīng)用，打造更薄的平板顯示器，并減少可充電設(shè)備的能源浪費(fèi)。

“如果您只是需要3%或4%的能效提升，您可以利用其它很多方法實(shí)現(xiàn)，”Masoud說，“但是，如果您希望功率密度翻番，那么GaN則是您的優(yōu)先選擇。”