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GaN如何改变机器人、再生能源、电信等产业?

GaN可以在电源应用中提供更高的频率与效率,并可在仅有硅材料一半空间与功耗的条件下输出同等的功率。

从如同砖块般的手机到笨重的电视机,电源供应器曾在电子产品中占据相当大的空间,而市场对于高功率密度的需求也正日益增高。

过去硅(silicon)电源技术的发展与创新曾大幅缩减产品尺寸,但却难有更进一步的突破。在现今的尺寸规格下,硅材料已无法在所需的频率下输出更高的功率。对于未来的5G无线网络、机器人,以及再生能源至数据中心技术,功率将是关键的影响因素。

60多年以来,硅一直都是电子零组件中的基础材料,广泛应用于交流电与直流电转换,并调整直流电压以满足从手机到工业机器人等众多应用的需求。尽管必要的零组件一直不断地改良与优化,但物理学意义上的极限却是硅材料的最大挑战。

为解决上述问题,以GaN为基础的新型电源和转换系统便应运而生—产生更少的功耗与散热问题。由于高温可能会增加运作成本、干扰网络讯号并导致设备提早故障,使得这些特性显得更至关重要。

GaN可以在电源应用中提供更高的频率与效率,并可在仅有硅材料一半空间与功耗的条件下输出同等的功率。如此一来,不仅可以提高功率密度,更可以协助客户在不增加设计空间的同时满足更高的功率需求。

更高的开关频率代表GaN可以一次转换更大范围的功率,进而减少复杂装置中的电源转换。由于每次电源转换都会产生新的功耗,这对于很逐渐成长的高压应用而言是一项关键的优势。

具备60年发展历史的硅材料虽然并不会在一夕之间被取代,但经过多年的研究、实际验证和可靠度测试,GaN被视为是解决功率密度问题的最佳技术。德州仪器(TI)已在高于硅材料的工作温度与电压下,对GaN装置进行了2,000万小时的加速可靠度测试。在此测试时间内,远程飞行世界纪录保持者GlobalFlyer可绕地球飞行25万9,740次。

德州仪器正与联合电子装置工程委员会(Joint Electron Device Engineering Council,JEDEC)分享了GaN资格协定,并将负责其GaN资格认证委员会。

GaN的未来发展

在一些功率密度为优先考虑特性的关键产业,GaN已经开始代替硅材料。适合大量生产GaN电源供应器的主流产业包括:

制造业:实际上,现今典型的机械手臂并未整合其工作所需的所有电子零组件。由于电源转换和马达驱动等零组件的尺寸过大且效率较低,导致它们通常安装于分开独立的机柜中,再利用长距离的缆线连接至机械手臂,这便使得工业机器人单位立方公尺的生产效率降低。藉由GaN技术,即可更简易地将马达和电源转换器等整合到机器人中。如此便可以简化设计、减少复杂的缆线并降低营运成本。

数据中心:随着市场对数字化服务需求的提升,数据中心正在经历一场变革,转而采用48V直流电源直接供电。传统的硅电源转换模块无法有效地将48V电压一次转换为大多数运算硬设备所要求的低电压,而中间转换过程则会降低数据中心的电源效率。GaN可以在电源输送至服务器与芯片之前,将电压从48V降低至负载点(point-of-load)电压,进而大幅降低配电损耗并减少转换损耗达30%。

无线服务:有鉴于大范围的5G行动网络覆盖要求网络营运商建置更高功率与工作频率的设备,但因营运商不希望提高基地台设备的尺寸,GaN的高功率密度优势将可以满足他们的需求。

再生能源:再生能源的产生和储存也必须进行转换,因此GaN的效率优势成为关键。在再生能源计划中,通常以智能电网的方式储存能源以提供未来使用。如果可以在风力发电机静止时或太阳能板不再吸收阳光时,能更有效地转换大功率电池的电力输入和输出,这将成为一项非常显著的优势。德州仪器与其合作伙伴已证实GaN能够以99%的高效率转换10kW的再生能源,这对于电力公用事业市场来说是一个极为出色的效率基准。

未来,GaN将继续扩展至消费性电子产品等应用,打造更轻薄的平板显示,并减少可充电装置的能源浪费。

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