從“磚頭”手機到笨重的電視機，電源模組曾經在電子電器產品中佔據相當大的空間，而且市場對更高功率密度的需求仍是有增無減。
矽電源技術領域的創新曾一度大幅縮減這些應用的尺寸，但卻很難更進一步。在現有尺寸規格下，矽材料無法在所需的頻率下輸出更高的功率。而對於即將推出的5G無線網路，以及未來的機器人、可再生能源直至資料中心技術，功率都是一個至關重要的因素。
“工程師現在處於一個非常尷尬的境地，一方面他們無法在現有空間內繼續提高功率，但同時又不希望增大設備所需的空間，”德州儀器產品經理Masoud Beheshti說，“如果不能增大尺寸，那麼只能提升功率密度。”
瞭解如何利用德州儀器的GaN產品系列實現更高的功率密度。
GaN的時代
60多年以來，矽一直都是電氣組件中的基礎材料，廣泛用於交流電與直流電轉換，並調整直流電壓以滿足從手機到工業機器人等眾多應用的需求。雖然必要的組件一直在持續改進和優化，但物理學意義上的極限卻是橫亙在矽材料面前的一條無法逾越的鴻溝。
與此同時，一種基於GaN的全新電源和轉化系統正應運而生，它們的功率損耗更低，產生的熱量也更少。由於高溫會提高運行成本、干擾網路信號並誘發設備故障，這些特性便顯得尤為重要。
GaN可處理更高頻率和更高能效的電源，與矽元件相比，它可以在尺寸和能耗減半的條件下輸送同等的功率。由此便可以提高功率密度，説明客戶在不增大設計空間的同時滿足更高的功率要求。
更高的頻率交換意味著GaN可以一次轉換更大範圍的功率，減少複雜裝置中的功率變換。由於每次功率變換都會產生新的能耗，這對於很多高壓應用都是一項顯著的優勢。
當然，一項已經持續發展60年的技術不會一夜之間被取代，但經過多年的研究、實際驗證和 可靠性測試，GaN定會成為解決功率密度問題的最佳技術。德州儀器已經在高於矽材料的工作溫度和電壓下，對GaN裝置進行了2000萬小時的加速可靠性測試。在此測試時間內，遠端飛行世界紀錄保持者GlobalFlyer可繞地球飛行259,740次。
“我們確信GaN工藝、技術和裝置完全合格，而且已經具備批量化生產的條件，”Masoud說。
德州儀器與工程設計發展聯合協會標準機構分享了這些GaN資格協議，並將負責其GaN資格認證委員會。
GaN的未來發展
在一些功率密度為優先特性的關鍵行業，GaN已經開始替代矽材料。“目前德州儀器已經完成了GaN的封裝和測試，對於功率密度為優先考慮要素的客戶而言，他們又多了一種新的選擇，”德州儀器產品行銷工程師Arianna Rajabi說。
批量化生產GaN功率模組的最佳適用行業包括：
製造：現在一般的機器人手臂實際上並未集成手臂工作所需的所有電子元件。由於功率變換和電機驅動組件的尺寸過大，而且能效不高，它們通常安裝在單獨的機櫃中，並通過長距離的佈線連接到機器人手臂。這便降低了工業機器人單位立方米的生產效率。利用GaN技術，可以更簡單地將驅動和功率變換元件集成至機器人中。這樣便可以簡化設計、減少繁冗的佈線並降低運行成本。
資料中心：隨著市場對數位化服務需求的提高，資料中心正在經歷一場變革，轉而採用48V直流電源直接供電。傳統的矽功率變換模組無法有效地將48V電壓一次轉化為大多數電腦硬體所要求的低電壓。而中間步驟則會降低資料中心的功率效率。GaN可以在輸送至伺服器和晶片之前將電壓從48V降低至負載點電壓。這樣可以大幅降低電源配送損耗並將變換損耗減少30%。
無線服務：大範圍的5G網路覆蓋要求運營商部署更高功率和運行頻率的設備。鑒於網路運營商不希望提高信號塔設備的尺寸，GaN的功率密度優勢可以滿足他們的需求。
可再生能源：可再生能源的產生和存儲也需要功率變換，因此GaN的效率優勢可發揮關鍵性作用。在可再生能源規劃中，通常是採用智慧電網的方式存儲能源。如果可以在風力渦輪機靜止時或太陽能帆板不再吸收陽光時，更高效地將電能轉入和轉出大儲量電池，這將成為一項非常顯著的優勢。德州儀器與合作夥伴已經證實，GaN能夠以90%的效率轉化10千瓦的可再生能源，這對於電力企業來說是一個非常出色的性能基準。
未來，GaN將繼續擴展至消費者電子產品等應用，打造更薄的平板顯示器，並減少可充電設備的能源浪費。
“如果您只是需要3%或4%的能效提升，您可以利用其它很多方法實現，”Masoud說，“但是，如果您希望功率密度翻番，那麼GaN則是您的優先選擇。”
瞭解有關TI Power的更多資訊:
1. 參閱《電源設計基礎》
《電源設計基礎》是全球電源行業具有豐富電源設計和控制晶片應用知識和經驗的Robert Mammano先生將其多年來在Unitrode/TI公司電源設計研討會培訓的系列資料整理成書在2017年初出版的。
全書內容豐富、完整，囊括了從電路元器件，電源基本電路拓撲，各種控制策略，磁元件設計，輔助電源電路，電磁雜訊處理，電源故障管理，實現高效率設計，數位功率控制以及電源結構這些涉及電源幾乎所有方方面面的完整內容。
作者簡介：羅伯特A曼馬諾( Robert A. Mammano) 是電力電子領域的先驅,在模擬電源控制領域,擁有超過50年的經驗。他還被稱為"PWM控制器行業之父",于1974年設計了第一個完全集成的PWM控制器IC SG1524。曼馬諾於1957年在科羅拉多大學獲得物理學學位,從此開始了他的職業生涯。
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