由于GaN晶體管具有極高的電子遷移率，所以替代硅基FET只是時間問題。與基于硅的晶體管相比，這也使GaN具有較小的導通電阻和更快的開關速度。

 

GaN晶體管的驅動方式與傳統MOSFET相同，這使得它們很容易集成到現有設計中。所以GaN在市場上很受追捧，電源、音頻放大器、數據中心和實現GaN的汽車系統比以往任何時候都要多。

 

GaN Systems首席執行官Jim Witham闡述了他對GaN未來的預測，以及為什么2021年可能會推動這項技術進一步普及。

 

 

GaN似乎已經在從快速充電器到數據中心的許多關鍵行業中取得了長足進步。雖然GaN并不是所有電源應用的解決方案，但根據Witham的說法，它的“最佳狀態”在60v至1200 V范圍內。

 

Witham：“硅適用于低電壓(60伏及以下)和低功率，GaN適用于中電壓(60 - 1200伏)和中等范圍功率，SiC和igbt適用于高電壓(1200伏及以上)和高功率。”

 

 

2020年手機、平板電腦和手持游戲設備等應用程序的充電器和適配器市場是干涉獵最廣泛的領域。

 

這一需求的直接原因是快速充電的廣泛推動，尤其是來自亞洲制造商。快速充電需要更高的功率級別，這通常意味著更大的設備體積。而GaN正好以更小的充電器和更高的功率級滿足了這一市場需求。

 

Witham表示:“華為、Oppo和小米都在大力推動快速充電。GaN Systems預計，2021年，隨著GaN成為行業標準，其他知名品牌也將開始將自己的GaN充電器推向市場。

 

 

Witham講述了他在硅放大器和GaN放大器之間的“聲音關閉”的經驗。起初，他擔心差別不會太大。“在音效上不是一個級別，它讓你以為是在聽現場音樂會。”

 

對小而高質量的低功率音頻設備不斷增長的需求使得D類音頻放大器成為設計師的最愛。D類放大器依靠MOSFET輸出級，依靠這些晶體管的快速開關速度來精確地再現音頻波形。

 

所謂D類放大器，是通過控制開關單元的ON/OFF，驅動揚聲器的放大器。D類放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來。D類放大器在過去的幾代產品中，已經得到了巨大的發展，系統設計者極大地改善了系統的耐用性，并提高了其音頻質量。

 

GaN超越硅的另一個優點是它具有極高的開關速度，有時比硅基FET快1000倍。GaN Systems的一份白皮書量化了這種卓越的音頻質量，顯示基于GaN的D類放大器可以產生0.004%的總諧波失真(THD)，而硅產品為0.015%。

 

Witham:“這樣的性能是最接近完美晶體管的了。”由于尺寸的減小和卓越的音頻質量，GaN Systems預測，在未來的一年里，許多世界知名的音頻品牌將生產基于GaN的放大器。

 

 

從GaN Systems的角度來看，GaN對于日益負擔過重的數據中心來說是一個強有力的支柱，隨著越來越多的人居家辦公，數據中心正在管理前所未有的電力消耗和數據密度。GaN晶體管可以在三個關鍵領域做出顯著改進:

 

1.交直流電源，高壓進入服務器機架，必須降壓才能將電源分配給所有服務器

 

2.服務器主板上的DC-DC轉換器，將直流電壓(無論是12v、24v還是48v)降至較低的芯片級電壓

 

3.主電源斷電時的備用電源

 

GaN Systems最近宣布了一種絕緣金屬基板(IMS3)平臺，將用于數據中心領域。

 

所以，實現更小更高效的電源供應將允許數據中心在機架上放置更多的服務器，提高每平方米的性能。

 

 

GaN Systems認為最有前途的領域是汽車行業。事實上，去年豐田汽車展上就宣布了一款“全GaN”(all-GaN)汽車。隨著國際政府和公眾對電動汽車的要求越來越高，設計師就要在先進的電池技術之外，集成更小、功率更大的系統。

 

與硅MOSFET相比，基于GaN的技術的激光雷達，激光信號可以更高的速度發射。

 

對于GaN HEMT通用可靠性標準的挑戰，這需要GaN系統的驗證，該公司發布了AutoQual+程序，擴展了AEC-Q的測試序列。

 

在Witham看來，2021年就是“GaN晶體管將在各行各業到處奔跑”。

 

 

據GaN Systems和許多其他半導體制造商稱，早期圍繞GaN的擔憂已不再迫在眉睫。

 

通過GaN省下的錢超過一千瓦。隨著銷量的上升，成本下降了。然而，除了價格之外，為了支持那些仍在適應這種快速MOSFET的設計師，供應商還提供了可靠的技術文件——白皮書、應用說明、參考設計等等。

 

談到設計學習曲線，Witham幽默地說:“GaN有點像法拉利;想要駕馭它，你得先學會怎么開它。”

 

GaN另一大優勢是它將產生的長期環境影響。Witham :“我們正看到這些小型、輕量級、非常高效的電力電子產品問世……(而且)它們將使地球變得更美好。”

 

GaN Systems 將GaN作為完成這項任務的基本構件，下面一起看看兩個重點玩家對于GaN的基本布局。

 

考慮到電動汽車，ST收購了GaN pioneer的大部分股份(ExaGaN)。ExaGaN的外延工藝、產品開發和應用經驗將拓寬并推進意法半導體的汽車、工業和消費用功率GaN的開發規劃和業務。ExaGaN將繼續執行現有產品開發規劃，意法半導體將為其部署產品提供支持。

 

ST對法國GaN創新者ExaGaN的新投資，將為其快速發展的汽車電子市場開發產品提供途徑。

 

GaN和SiC一樣，是一種寬禁帶(WBG)半導體。WBG設備相對于硅設備的優勢是，它們可以在比傳統硅設備更高的速度下處理更多的功率。雖然碳化硅是一種成熟的技術，GaN比碳化硅更節能，而且它可以在更高的頻率下工作，增強了這一重要優勢。

 

ST致力于為電力電子產品提供節能產品和解決方案。從1996年起，ExaGaN公司就一直在考慮考慮擴大市場份額，購買ExaGaN代表了對ExaGaN堅定承諾的延續。

 

ExaGaN是一家法國小公司，致力于GaN技術。旨在“加速采用功率轉換99%以上的效率。”他們的旗艦產品是G-FET和G-DRIVE IC，它們的設計便于集成。

 

ST已經是SiC領域的重要參與者。它之前收購Norstel以及與Wolfspeed合作。

 

但ST對GaN也并不陌生。ST曾于2018年與MACOM合作，為后者的射頻應用開發GaN晶片。同年，ST和Leti合作開發GaN功率開關設備。

 

最近，ST與臺積電合作開發GaN技術，并將其推向市場。由于臺積電是全球最大的半導體代工，雙方的合作意義重大。

 

雖然他們目前不提供ST品牌的GaN設備，但至少從2019年4月起，他們的網站上就有一個GaN技術頁面，顯示出他們對GaN戰略的預謀已經很長時間了。

 

新的GaN FET家族，包括一個集成柵驅動器，據說將車載充電器和工業電源的功率密度提高了一倍。

 

在全電動汽車和完全自動駕駛汽車的努力下，今天的汽車比以往任何時候都集成了更多的電力系統。隨著這一需求的出現，電氣工程師需要創新技術上和經濟上都可行的新設計。從電氣的角度來看，汽車設計中最大的挑戰之一是設計出重量輕、結構緊湊的系統，這樣汽車的性能就不會受到影響，同時還要優先考慮抗高壓的耐久性。為此，許多制造商轉向的解決方案是GaN FET。

 

TI是致力于汽車電氣化的一家公司。TI發布的一款全新GaN晶體管系列，可減少電路板空間，提高汽車電氣系統的功率效率。

 

新的器件包含650 V和600 V GaN FET。這些設備提供不同的優勢，但都受益于增加了設備上的功能，集成了2.2 MHz門禁驅動器。

 

獨特的是，這些芯片還提供所謂的“理想二極管模式”，在這種模式下，器件通過實現死區控制來減少第三象限損耗。

 

 

與現有的SiC解決方案相比，LMG3525R030-Q1通過集成芯片上的驅動程序，據說可以將電動汽車車載充電器和DC-DC轉換器的尺寸減少50%。而節省電路板空間將使工程師能夠實現延長電池壽命，增加系統可靠性，并降低設計成本。根據TI的說法，這種集成可以幫助工程師消除超過10個離散解決方案通常需要的組件。