功率半導(dǎo)體是高效電源轉(zhuǎn)換的重要組成部分。實(shí)際上，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)存在于所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，其應(yīng)用包括工業(yè)、汽車、消費(fèi)、醫(yī)療或航空航天等。它們主要存在于電源、照明控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。

據(jù)Yole Développement統(tǒng)計(jì)，2017年功率器件市場的營收約為300億美元，其中超過一半的營收來自電源集成電路。到2022年，這一市場的營收預(yù)計(jì)將增長到約350億美元。

Alexander Lidow宜普電源轉(zhuǎn)換公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人

隨著全球生活水平的迅速提高，電力需求也在相應(yīng)增長。為了減少核電、木材、燃煤、燃?xì)怆姀S對(duì)環(huán)境的影響，我們必須有效使用電力。此外，隨著人們對(duì)計(jì)算機(jī)處理能力、汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、電動(dòng)車和無人機(jī)行駛距離、燈具能耗等要求越來越高，在可預(yù)見的未來，人們對(duì)更低成本、更小體積、更高效電源系統(tǒng)的需求將會(huì)繼續(xù)穩(wěn)步增長。

數(shù)據(jù)中心用電量驚人，需要高效的電源架構(gòu)和優(yōu)越的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)

數(shù)據(jù)中心及電信系統(tǒng)是電子基礎(chǔ)設(shè)施的主要成員，與我們的日常生活息息相關(guān)。隨著技術(shù)融入到我們的生活，我們認(rèn)為這理所當(dāng)然，可是，就像冰山一樣，我們看不到大部分的電子基礎(chǔ)設(shè)施。這些基礎(chǔ)設(shè)施的硬件部分，包含著數(shù)百萬個(gè)微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、輸出數(shù)據(jù)總線及輔助邏輯電路。

每個(gè)處理器可能包含數(shù)十億個(gè)微小的集成晶體管電路。這些極小的器件用電量微乎其微，工作電壓范圍通常是從數(shù)伏特到1V以下。而數(shù)據(jù)中心可以采用數(shù)千個(gè)處理器，這意味著同一時(shí)間使用了萬億個(gè)晶體管!因此，數(shù)據(jù)中心所需的電力將會(huì)是從數(shù)兆瓦到數(shù)十兆瓦。目前，數(shù)據(jù)中心所需的電力是4160V三相交流電壓或13. 8kV。這對(duì)于需要很低電壓及相當(dāng)精確電壓的信息處理硬件來說，是完全不合適的。因此，我們必須找出高效的電源架構(gòu)并采用優(yōu)越的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，從而可以高效地降壓至1V。

實(shí)際上，電力昂貴，而且數(shù)據(jù)中心的用電量驚人。如果要實(shí)現(xiàn)大于1000∶1的電壓轉(zhuǎn)換比，必須采用多級(jí)電源轉(zhuǎn)換，而在每一級(jí)的電源轉(zhuǎn)換過程中，都會(huì)流失若干能量，從而增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本。流失的能量就是熱量，必需除去。這需要有效的散熱管理，通常是利用空調(diào)，但這會(huì)推高用電量及進(jìn)一步增加成本。高效電源轉(zhuǎn)換可顯著地降低電費(fèi)開支， 電費(fèi)開支就是構(gòu)成數(shù)據(jù)中心最大的成本。到2020年，我們預(yù)計(jì)在美國的數(shù)據(jù)中心的總能耗將高達(dá)730億kWh， 使得我們根本不可能使用低效的供電架構(gòu)。

在這數(shù)年間，業(yè)界十分關(guān)注從48V總線電壓轉(zhuǎn)到通常是1V或以下電壓的負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用。最后一級(jí)的電源轉(zhuǎn)換是最困難的，也是目前來說最低效的，大約會(huì)流失掉15%的總能量，如果能將這些能量用于數(shù)字芯片，就可以提高收入。

氮化鎵實(shí)現(xiàn)顯著性能提升，而達(dá)到其極限之前仍可以提高效率約300倍

很多工程師提問關(guān)于氮化鎵(GaN)及碳化硅(SiC)的異同。GaN和SiC都是寬帶隙半導(dǎo)體，因此可以在更小、更快的器件中處理比硅更多的功率。GaN的一個(gè)額外優(yōu)點(diǎn)是可以在器件表面產(chǎn)生二維電子氣(2DEG)。這種2DEG可以使橫向GaN器件更快地傳導(dǎo)電子，并使其電阻比Si或SiC更低。橫向器件的所有電氣連接與有源器件在同一平面上。不同的應(yīng)用具有不同的電壓要求。當(dāng)電壓要求超過600~900V時(shí)，橫向器件就行不通了。垂直GaN器件(電氣連接在頂部和底部)沒有2DEG，因此其性能就更接近于SiC。隨著垂直SiC二極管和晶體管的成熟度越來越高，SiC有望主導(dǎo)約900V以上的應(yīng)用。然而， 一般而言，900V以下的市場更大，這也是宜普(EPC)目前在應(yīng)對(duì)的市場。

GaN器件才剛剛開始在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域嶄露頭角。值得注意的是，功率晶體管在過去短短幾年取得了重大進(jìn)展，導(dǎo)通電阻有了大幅改善。即便如此，目前市場上最好的硅基GaN晶體管也比Si的理論極限要好得多，而且在達(dá)到其極限之前仍然可以提高效率約300倍。

硅基GaN技術(shù)對(duì)于集成來說也是非常好的候選對(duì)象?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)有基于硅基GaN的單片半橋器件。未來還將有完整的片上系統(tǒng)(SoC)功率器件，而在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中實(shí)質(zhì)上可以廢棄使用分立晶體管。

總結(jié)

氮化鎵功率器件的出現(xiàn)，改變了業(yè)界的游戲規(guī)則。相比基于傳統(tǒng)硅MOSFET器件的解決方案，基于氮化鎵器件的解決方案更高效、占板面積更小，而且成本更低。

我們業(yè)界的共同目標(biāo)是希望每一個(gè)全新設(shè)計(jì)都可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、更低的成本及更高的效率，從而設(shè)計(jì)出更優(yōu)越的數(shù)據(jù)中心。目前有越來越多的公司制造基于氮化鎵技術(shù)的DC/DC電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，因此可以預(yù)期，更高效、更具成本效益的未來，從現(xiàn)在開始!