半导体材料中的法拉利：GaN冲向2021

尽管20年前GaN晶体管以前处于大学研究项目阶段，但现在这些器件已在整个行业广泛采用，尤其是在2020年。
 
由于GaN晶体管具有极高的电子迁移率，所以替代硅基FET只是时间问题。与基于硅的晶体管相比，这也使GaN具有较小的导通电阻和更快的开关速度。

GaN晶体管的驱动方式与传统MOSFET相同，这使得它们很容易集成到现有设计中。所以GaN在市场上很受追捧，电源、音频放大器、数据中心和实现GaN的汽车系统比以往任何时候都要多。

GaN功率晶体管的市场机会在2020年飞速增长

GaN Systems首席执行官Jim Witham阐述了他对GaN未来的预测，以及为什么2021年可能会推动这项技术进一步普及。
 
中等电压:GaN的最佳位置
 
GaN似乎已经在从快速充电器到数据中心的许多关键行业中取得了长足进步。虽然GaN并不是所有电源应用的解决方案，但根据Witham的说法，它的“最佳状态”在60v至1200 V范围内。
 
Witham：“硅适用于低电压(60伏及以下)和低功率，GaN适用于中电压(60 - 1200伏)和中等范围功率，SiC和igbt适用于高电压(1200伏及以上)和高功率。”
 
充电器和适配器
 
2020年手机、平板电脑和手持游戏设备等应用程序的充电器和适配器市场是干涉猎最广泛的领域。
 
这一需求的直接原因是快速充电的广泛推动，尤其是来自亚洲制造商。快速充电需要更高的功率级别，这通常意味着更大的设备体积。而GaN正好以更小的充电器和更高的功率级满足了这一市场需求。

安半导体的GaN电源之一的框图

Witham表示:“华为、Oppo和小米都在大力推动快速充电。GaN Systems预计，2021年，随着GaN成为行业标准，其他知名品牌也将开始将自己的GaN充电器推向市场。
 
音频
 
Witham讲述了他在硅放大器和GaN放大器之间的“声音关闭”的经验。起初，他担心差别不会太大。“在音效上不是一个级别，它让你以为是在听现场音乐会。”
 
对小而高质量的低功率音频设备不断增长的需求使得D类音频放大器成为设计师的最爱。D类放大器依靠MOSFET输出级，依靠这些晶体管的快速开关速度来精确地再现音频波形。
 
所谓D类放大器，是通过控制开关单元的ON/OFF，驱动扬声器的放大器。D类放大器首次提出于1958年，近些年已逐渐流行起来。D类放大器在过去的几代产品中，已经得到了巨大的发展，系统设计者极大地改善了系统的耐用性，并提高了其音频质量。

GaN超越硅的另一个有点是它具有极高的开关速度，有时比硅基FET快1000倍。GaN Systems的一份白皮书量化了这种卓越的音频质量，显示基于GaN的D类放大器可以产生0.004%的总谐波失真(THD)，而硅产品为0.015%。
 
Witham:“这样的性能是最接近完美晶体管的了。”由于尺寸的减小和卓越的音频质量，GaN Systems预测，在未来的一年里，许多世界知名的音频品牌将生产基于GaN的放大器。
 
数据中心
 
从GaN Systems的角度来看，GaN对于日益负担过重的数据中心来说是一个强有力的支柱，随着越来越多的人居家办公，数据中心正在管理前所未有的电力消耗和数据密度。GaN晶体管可以在三个关键领域做出显著改进:
 
1.交直流电源，高压进入服务器机架，必须降压才能将电源分配给所有服务器
2.服务器主板上的DC-DC转换器，将直流电压(无论是12v、24v还是48v)降至较低的芯片级电压
3.主电源断电时的备用电源

GaN Systems最近宣布了一种绝缘金属基板(IMS3)平台，将用于数据中心领域。
 
所以，实现更小更高效的电源供应将允许数据中心在机架上放置更多的服务器，提高每平方米的性能。
 
电动车是第一受益者
 
GaN Systems认为最有前途的领域是汽车行业。事实上，去年丰田汽车展上就宣布了一款“全GaN”(all-GaN)汽车。随着国际政府和公众对电动汽车的要求越来越高，设计师就要在先进的电池技术之外，集成更小、功率更大的系统。

与硅MOSFET相比，基于GaN的技术的激光雷达，激光信号可以更高的速度发射。
 
对于GaN HEMT通用可靠性标准的挑战，这需要GaN系统的验证，该公司发布了AutoQual+程序，扩展了AEC-Q的测试序列。
 
在Witham看来，2021年就是“GaN晶体管将在各行各业到处奔跑”。
 
关于GaN的成本、设计和“绿色”价值
 
据GaN Systems和许多其他半导体制造商称，早期围绕GaN的担忧已不再迫在眉睫。
 
通过GaN省下的钱超过一千瓦。随着销量的上升，成本下降了。然而，除了价格之外，为了支持那些仍在适应这种快速MOSFET的设计师，供应商还提供了可靠的技术文件——白皮书、应用说明、参考设计等等。
 
谈到设计学习曲线，Witham幽默地说:“GaN有点像法拉利；想要驾驭它，你得先学会怎么开它。”

GaN另一大优势是它将产生的长期环境影响。Witham :“我们正看到这些小型、轻量级、非常高效的电力电子产品问世……(而且)它们将使地球变得更美好。”
 
GaN Systems 将GaN作为完成这项任务的基本构件。
 
下面一起看看两个重点玩家对于GaN的基本布局
 
意法半导体（ST）
 
考虑到电动汽车，ST收购了GaN pioneer的大部分股份(ExaGaN)。ExaGaN的外延工艺、产品开发和应用经验将拓宽并推进意法半导体的汽车、工业和消费用功率GaN的开发规划和业务。ExaGaN将继续执行现有产品开发规划，意法半导体将为其部署产品提供支持。
 
ST对法国GaN创新者ExaGaN的新投资，将为其快速发展的汽车电子市场开发产品提供途径。
 
GaN和SiC一样，是一种宽禁带(WBG)半导体。WBG设备相对于硅设备的优势是，它们可以在比传统硅设备更高的速度下处理更多的功率。虽然碳化硅是一种成熟的技术，GaN比碳化硅更节能，而且它可以在更高的频率下工作，增强了这一重要优势。
 
ST致力于为电力电子产品提供节能产品和解决方案。从1996年起，ExaGaN公司就一直在考虑考虑扩大市场份额，购买ExaGaN代表了对ExaGaN坚定承诺的延续。
 
ExaGaN是一家法国小公司，致力于GaN技术。旨在“加速采用功率转换99%以上的效率。”他们的旗舰产品是G-FET和G-DRIVE IC，它们的设计便于集成。

ST已经是SiC领域的重要参与者。它之前收购Norstel以及与Wolfspeed合作。
 
但ST对GaN也并不陌生。ST曾于2018年与MACOM合作，为后者的射频应用开发GaN晶片。同年，ST和Leti合作开发GaN功率开关设备。
 
最近，ST与台积电合作开发GaN技术，并将其推向市场。由于台积电是全球最大的半导体代工，双方的合作意义重大。
 
虽然他们目前不提供ST品牌的GaN设备，但至少从2019年4月起，他们的网站上就有一个GaN技术页面，显示出他们对GaN战略的预谋已经很长时间了。
 
减少板空间，提高电动汽车功率密度，TI专注GaN FET
 
新的GaN FET家族，包括一个集成栅驱动器，据说将车载充电器和工业电源的功率密度提高了一倍。
 
在全电动汽车和完全自动驾驶汽车的努力下，今天的汽车比以往任何时候都集成了更多的电力系统。随着这一需求的出现，电气工程师需要创新技术上和经济上都可行的新设计。从电气的角度来看，汽车设计中最大的挑战之一是设计出重量轻、结构紧凑的系统，这样汽车的性能就不会受到影响，同时还要优先考虑抗高压的耐久性。为此，许多制造商转向的解决方案是GaN FET。

TI的GaN FET新家族
 
TI是致力于汽车电气化的一家公司。TI发布的一款全新GaN晶体管系列，可减少电路板空间，提高汽车电气系统的功率效率。

新的器件包含650 V和600 V GaN FET。这些设备提供不同的优势，但都受益于增加了设备上的功能，集成了2.2 MHz门禁驱动器。
 
独特的是，这些芯片还提供所谓的“理想二极管模式”，在这种模式下，器件通过实现死区控制来减少第三象限损耗。
 
这些设备有什么特别之处?
 
与现有的SiC解决方案相比，LMG3525R030-Q1通过集成芯片上的驱动程序，据说可以将电动汽车车载充电器和DC-DC转换器的尺寸减少50%。而节省电路板空间将使工程师能够实现延长电池寿命，增加系统可靠性，并降低设计成本。根据TI的说法，这种集成可以帮助工程师消除超过10个离散解决方案通常需要的组件。