GaNは、どこに行くの?

氮化鎵(GaN)何去何從?

在功率轉換領域中,矽基技術的發展已經到了盡頭,而氮化鎵技術正在加速發展,為行業提供具備更快速的開關速度、尺寸更小、效率更高及目前成本已經更低的全新器件。氮化鎵技術...改變了我們的生活方式!

氮化鎵元件可以替代矽元件嗎?

氮化鎵基功率電晶體和積體電路的最初應用是利用矽基氮化鎵電晶體具備比MOSFET快約10倍和比IGBT快100倍的優勢,例如4G / LTE基站的射頻波峰追蹤和面向全自動駕駛汽車、機器人、無人機和安防系統的光達系統等應用,它們是發揮高速開關的氮化鎵元件的首批應用。 此後,產量不斷增長,目前氮化鎵功率元件的價格與具有相同導通電阻的MOSFET器件相約。 這使得傳統應用例如用於數據中心和運算的48 V DC/DC轉換和多種汽車應用,可以採用基於氮化鎵元件的解決方案。

數據中心伺服器

雲的增長迫使數據中心相應增長,而數據中心是能源的主要消耗者。 減少功耗的一種方法是在輸入至負載點應用,去除一個功率轉換級。目前通常使用兩級轉換:從背板上的48 V轉換到配電所需的12 V,以及對數位晶片供電時,轉換至大約1 V。憑藉氮化鎵元件具有快速開關、小尺寸和更高的效率的優勢,電源設計人員現在能夠直接將48 V轉換為負載點所需的1 V範圍之內,而不需要在12 V轉換。 由於支持雲基礎架構所需的運算能力和數據中心的迅速發展,因此,採用這種單級轉換架構以大大節省能源的潛力龐大。

全自動駕駛車輛/擴增實境(AR)

GaN enables Autonomous Vehicles 其中讓人感到興奮並可瞥見未來的應用是全自動駕駛車輛。如果您仔細看,您會看到在車頂上安裝了用作車輛的“眼睛”的激光雷射/雷射雷達(lidar)系統。lidar元件快速發射出控制光束,以及紀錄光束從一個物體上反射回來到感測器的時間,並且可以確定這個物體的方向,從而製成在車輛四周的三維360度全景。鐳射光束的發射速度越快,lidar系統識別物體的能力或場景的解析度將會更高。 氮化鎵技術在Lidar系統中發揮非常重要的作用 - 與可比的矽基元件相比,氮化鎵元件以更高的速度發射鐳射信號。

GaN is used in augmented reality devices相同的lidar技術也用於擴增實境(AR)的頭戴式耳機,為使用者提供即時三維圖像。我們目前看到用於遊戲機,除此以外,AR也可以幫助士兵遠距離利用擴增實境看到敵人,敵人就像站在他們面前一樣。敵人陣線的背後圖像則由無人機載lidar系統製成。民用的AR頭戴式耳機也可以看到世界各地的即時三維圖像。

GaN devices in Robots此外,採用lidar系統的機械人是現今最先進的機械人。這些機械人利用lidar系統作為他們的“眼睛”,這是因為lidar系統具備快速、精確的測距能力及需要較少運算處理便能夠製成三維數位圖像等優勢

耐輻射和航太應用

Gallium Nitride devices used in space applications航太應用採用氮化鎵元件,因為氮化鎵材料本身就是耐輻射。氮化鎵與矽元件不同,後者需要特別的製造技術和封裝以保護矽元件免受輻射影響,而氮化鎵的固有特性使其相對不受這些有害射線影響。氮化鎵電晶體用於離子推進器、衛星太陽能電池板的功率轉換和使用光達的測距應用。氮化鎵元件除了可以在惡劣環境下工作外,其小尺寸和高效率等優勢使它們成為航太空應用的理想元件。

無線電源傳輸

Gallium Nitride in the wireless home由氮化鎵技術所推動的另一種新興應用是無線電源應用。我們在不再需要使用電源線的情況下,可以把電源線剪斷。具備無線充電功能的手機已經在市場上推出,而平板電腦、個人電腦,甚至在移動式醫療推車上的醫療儀器也將於不久的將來可以進行無線充電。此外,汽車的中央控制台將會不只是用來對手機進行無線充電,也快將可以對車內的整套資訊娛樂及導航系統充電。最後,我們將可以在家居安裝多個發射器和中繼器,從而對照明、電視及其他家居電器進行無線充電。氮化鎵電晶體支援這種讓人興奮的無線充電新興應用...它改變了我們的生活方式。

醫療技術

Gan use in medical technologies尺寸大小確實是非常重要的。一個很好的例子是在一個藥丸般的體積內,嵌入一個採用氮化鎵元件的超微型X光機以進行結腸鏡檢查。當吞咽這個結腸鏡檢查丸後,它經過受檢者的消化系統並可以掃描圖像。X光機把這些數位資料以無線方式傳送到受檢者體外的接收器,並由醫生分析及評估資料。對患者來說,這是一種更方便、更容易的檢查方式。對醫生來說,這種方式可以取得具有更高解析度的結腸圖像。在本應用中,超小型及具備快速開關的氮化鎵元件的主要作用是支持藥丸內的X光元件的運作。

Gallium Nitride is used in imaging equipment磁力共振成像(MRI)機器也可以發揮氮化鎵技術的卓越性能,從而取得具備10至100倍更高的解析度的圖像,使得我們可以在更早期、更準確地並以較低成本檢查出癌症及其它疾病。

Gan in Medicine採用氮化鎵電晶體的無線充電應用可以對植入式醫療儀器進行充電,例如心臟泵及糖尿病人所需的疼痛閃爍儀(scintillator),從而摒棄從病人身體伸出的電源線,這些電源線可使病人容易受到感染的。面向醫療應用的氮化鎵元件起著重要作用,況且我們才剛剛開始探索及實踐各種創新的解決方案。

波峰追蹤應用

GaN in telecommunications電信應用是另一種基於氮化鎵功率轉換元件的新興應用。我們使用手機用作打電話的用途以外,也利用它進行商業交易、觀看視頻及打電玩,因此目前的手機需要傳輸越來越多呈指數式增長的數據,以致需要更大的頻寬。在波峰追蹤應用中,於發送載波信號傳送資料時,可精確地跟蹤所需功率,從而可以提高通信基站的效率 - 根據4G標準的數據傳輸速率,基站的效率將加倍;當支持下一代5G標準時,預計可提高基站的效率達3倍。氮化鎵元件得以在電信基站支援波峰追蹤系統的主要因素是它具備高效、超快速開關性能。

數據中心內的伺服器

雲端運算服務的蓬勃發展使得市場對數據中心的服務需求激增,而數據中心的能耗問題備受關注。降低數據中心的能耗的其中一個方法是減少一級功率轉換–使得電源可以從輸入電壓直接降壓到負載電壓。大部份應用普遍採用兩級轉換架構 - 從背板48 V轉換至12 V,在處理板上進行功率分配;以及最終降壓到大約1 V –實際功率用以推動數位晶片。氮化鎵元件具備高速開關、小尺寸及較高效率等優勢,幫助電源設計師得以利用氮化鎵技術從48 V直接轉換到1 V 範圍的負載點電壓而不需要12 V中間轉換。為了支援雲端運算基礎設施的需要,現今的運算能力及數據中心急速地發展,這種一級轉換架構的節能潛力巨大。

與碳化矽(SiC)元件相比,氮化鎵(GaN)元件的優勢是什麼?

矽基氮化鎵和碳化矽都是寬带隙半導體解決方案,與矽元件相比,它們都能夠承受更高的電壓、更高的頻率和實現更多的積體電路,因此,碳化矽和氮化鎵元件在整個電子市場中得到廣泛採用。 碳化矽非常適合用於900 V及以上的高壓應用。 而矽基氮化鎵元件則用於700 V及以下的應用。 GaN、SiC和矽IGBT的競爭市場是700 V~900 V應用,包括大多數電動汽車的電氣驅動器設計。

展望未來

與推出市場已經超過70年的矽基元件相比,氮化鎵技術的發展才剛剛開始,並且在過去數年間才商用化。此外,如本文所分析,利用氮化鎵技術的高效、快速開關及小尺寸等卓越優勢的新興應用已經出現。當氮化鎵技術的學習曲線的速率加快、它的最終用途變得更為廣泛及隨著氮化鎵技術年復一年不斷的發展和完善,它將會為整個產業帶來光明的前景。

不容置疑的是,氮化鎵技術改變了我們的生活方式!