就WBG（尤其是GaN）的市场采用而言，我们现在的处境如何？

作者：Patrick Le Fèvre，首席营销和传播官，Powerbox
 
对于一个电源设计师来说，任何一项新技术都是一个非常令人兴奋的概念，它可以在提高性能的同时使产品更小、更节能。在过去的一个世纪里，电力电子领域见证了许多创新，最新的重大创新是从模拟控制向数字控制的转变。然而，我们现在看到了一个巨大的新技术步骤，宽禁带（WBG）半导体的实现。氮化镓和碳化硅已经在无线电功率放大器和高压二极管中使用多年，但现在已经作为晶体管成为功率开关链的一部分。与此同时，传统MOSFET的性能水平有所提高，两者将长期共存。
对于所有新技术来说，上市时间不可避免地是一个漫长的过程。原始研究、专利、技术引进和市场采用可能需要10年以上的时间。我们都知道驼背曲线（图1），一项新技术的成功来自实用主义者和保守派。自2005年推出以来，电源中的数字控制仍被一些人视为一种好奇。在正常情况下，采用WBG也是一样的，但具有讽刺意味的是，新冠病毒疫情可能会加快采用的速度。
 

图1：经验丰富的电源设计师多次跨越这一技术鸿沟，最新的一次是从模拟控制向数字控制的转变（来源：PRBX）
 
对许多技术分析师来说，WBG的基石发生在2018年APEC会议上，当时“挑战者”展示了WBG技术的商业潜力。在当年推广GaN的领导者中，高效功率转换（EPC）在激光雷达应用中实现GaN的想法非常突出，尤其是随着该技术在新一代机动车中占据优势。纳维教育也获得了关注，通过在同一基板上封装驱动器和开关，将GaN集成推向了一个更高的水平。
人们对WBG的普遍热情是实实在在的，当疫情来袭时，相当一部分公司已经开始评估和原型化该技术。在几周内，旅行限制、宵禁、在家工作和其他规定改变了我们的工作方式。当这种情况发生时，电力电子元件制造商迅速适应了这种情况，为那些不能在办公室工作的人增加了资源，使他们能够获得技术支持，并提供在线内容。事实上，一些半导体制造商的评估套件出货量是平时的10倍，WBG新产品发布的数量令人印象深刻。
毫无疑问，这场疫情引发了很多问题和戏剧性事件，但它也为公司创造了一个独特的机会，让电源设计师有时间了解WBG，甚至运行在线模拟，缩短原型制作时间，并在回到办公室后采用。
很难准确计算出疫情所带来的条件在多大程度上有助于加速电源设计师对WBG的理解，但一些人估计，在两年内，电源设计师学到了正常情况下八年所学到的东西！新产品发布的数量证实了这种情况。
 
早期采用者提高了销量
当首次提出时，WBG功率半导体利用受到可用驱动器数量的限制，使得电源设计者难以考虑该技术。此外，新技术总是在可靠性和可持续性方面受到质疑。市场采用率取决于习惯于传统MOSFET的电源设计师使用WBG的简单程度，以及半导体制造商在开发“即用”解决方案方面的速度，这些解决方案包括驱动、保护、监控和其他功能到单个芯片中。这不仅简化了实现，而且还减小了功率级的总体尺寸，再加上更高的开关频率，可以减小磁性元件的尺寸，从而提高功率密度，同时减小电源的总体体积和质量。
这一愿望正在成为现实，使用WBG GaN实现这一愿望的好处之一是OPPO推出的充电器，其容量为50瓦，相当于一块饼干（82.2 x 39.0 x 10.5毫米），重量仅为60克（图2）。这是通过将Navitas GaNFast功率集成电路与平面变压器、优化拓扑和更高的开关频率相结合而实现的。同时，高效电源转换发布了一款集成了所有功能的GaN IC，使电源设计师能够轻松地将其应用到新设计中（图3）。这两个例子说明了WBG GaN制造商如何迅速从“复杂”转变为“简单”。
 
 

图2：在USB-C充电器中安装GaN，可以在提高功率密度和效率的同时减轻尺寸重量（来源：PRBX/Navitas/OPPO）
 
在更高频率下更快地切换和实现更高的效率是我们所有人的目标，当然不是所有电源都需要兆赫切换，但WBG的应用范围非常广泛。虽然USB充电器或PC的外部电源能够在更小、更轻的机箱中获得更高的功率水平，这对每个人来说都是显而易见且有益的，但还有更多的应用将受益于WBG技术。我们正在见证一种新型电源架构的出现，在数据中心和过程控制等应用中，短期能量存储将集成到电源机架中。
 

图3：使用EPC专有GaN IC技术的EPC23101集成电路简化了设计（来源：PRBX/EPC）
 
考虑到在现有设备中添加更多机架的可能性很小，或者根本不可能，而且新设备必须装入越来越小的机柜，电源制造商别无选择，只能压缩电源的大小，为电池或超级电容器腾出空间。物理定律就是这样，在保持相同输出功率的同时减小电源物理尺寸的唯一解决方案是增加开关频率。这很容易说，也很难实现，这就是WBG的好处变得显而易见的地方。
通过结合数字控制、WBG和更高的开关频率，前端电源可以缩小到足以容纳相同容量的备用电池。电源和WBG半导体制造商已经展示了案例研究，以促进这种组合的好处，市场上已经有针对此类应用开发的产品。工业应用中分散储能的概念正在增长，毫无疑问，这将有助于使用WBG实现高开关拓扑。
 
探索新领域
需要能够从非常不稳定的电源提供稳定电压的电源解决方案是一个值得探索的有趣领域。随着本地数据传输的发展，设备制造商正在寻求开发一种前端功率转换器，该转换器可以从12VDC到200VDC的任何直流电源为系统供电，功率范围为100W到1KW。随着这些项目的推进，他们现在正在考虑减轻重量和尺寸，为已经复杂的项目增加复杂性。
 

 
图4：PRBX多核自动调谐功率转换器，带有先进的数字控制和GaN FET晶体管（源PRBX）
 
作为一名电源设计师，这是我们喜欢的项目类型，满足这一要求的唯一方法是将一系列技术（如数字控制、GaN、多芯变压器）与先进的布线和自动调谐拓扑相结合（图4）。这样的应用可能是极端的，但它们说明了结合电源设计师可用的最新技术的可能性。
 
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