数字电源与 GaN 相结合可实现 99% 的效率

从电力电子设备使用真空管的早期开始，电力工程师就一直关注能效、功率优化以及如何使电源更可靠、更小、更智能。

我们中可能很少有人记得引入了 Thyratron 或 Julius Edgar Lilienfeld 于 1925 年获得的场效应晶体管专利，但电子行业充满了惊人的发明和创新，所有这些都有助于实现神话般的 99% 效率水平。

随着对环境和降低能源消耗的日益关注、满足政府法规的需要，当然还有个人倡议，对电源设计人员开发非常高效的电源解决方案的需求一直很大。但与此同时，新兴应用需要具有前所未有的功率密度预期的更小电源，并且带来更多困难。

物理定律就是物理定律，尽管开关拓扑发生了很多变化，但电源设计人员还是遇到了障碍，需要一种能够更快切换、具有更少功率损耗并在可能的情况下在更高温度下保持良好性能的解决方案。

尽管传统半导体在技术上取得了进步，但在减小电源的物理尺寸和功率损耗的同时，将开关频率提高 10 倍变得困难。

在实现这一目标的不同途径中，对提供更高性能（例如高能电子带隙）的材料的探索揭示了氮化镓和碳化硅的潜力。这两种材料之前都曾被使用过，例如 SiC 二极管和 GaN LED，但宽带隙 FET 的使用在电力电子历史中出现的时间相对较晚。

对于所有新技术，GaN FET 和 SiC FET 都经历了从创新者开始，到早期采用者，现在达到早期多数的经典过程。非常有趣的是，可能由于大量的创新者，GaN 和 SiC 制造在解决具有非常高增长潜力的利基市场方面非常迅速。

宽带隙 (WBG) 技术已在许多会议上提出，但我认为真正的开端发生在 2018 年，当时“挑战者”展示了 WBG 技术的商业潜力。不可能一一列举，但在推动 GaN 的领导者中，我想说在 LIDAR（光检测和测距）中实施 GaN 的高效功率转换 (EPC) 想法非常有趣，尤其是该技术在新一代车辆。2018 年也是 USB 适配器制造商开始考虑实施 WBG 的一年。Navitas 是创新公司的另一个例子，它在早期通过在同一衬底上封装驱动器和开关将 GaN 集成推向了更高的水平。如果今天，智能 GaNFET 正在成为标准，

如果 WBG 是一项非常有前途的技术，我们应该记住 2003 年作为一项有前途的技术出现的名为“数字电源”的技术的另一个象征性里程碑。

与 17 年前的数字电源一样，仅仅几年前才开始其旅程的 GaN 也遵循了类似的路径，逐渐从“技术好奇心”转向“商业产品”。数字电源和 GaN 都是在引入市场时受到挑战和激烈争论的技术，以这种方式将它们联系起来很有趣，特别是当结合这两种技术的最佳结果产生真正出色的商业产品时.

一步步走向成熟

与任何新技术一样——尤其是在具有破坏性的情况下——从研究水平到大批量生产的过渡是一个漫长的过程，其中包括电子工程师的新学习，在 GaN 的情况下，零电压开关拓扑的实施需要非常具体的驱动程序和控制它们的新方法。

尽管 GaN 晶体管具有巨大的优势，但多年来缺乏驱动程序限制了工业设计师的兴趣水平。值得庆幸的是，在过去两年中，越来越多的半导体厂商投资于 GaN，这使得这项技术的实施变得更加简单。

许多技术壁垒已被消除。制造工艺逐渐优化以提高产量和降低成本，实施了特定于该技术的质量工艺，2017 年 11 月，JEDEC 组织宣布成立一个新委员会，为宽带隙功率半导体 (JC-70) 制定标准. 随后，2019 年 2 月发布了出版物 JEP173：基于 GaN HEMT 的功率转换设备的动态导通电阻测试方法指南。这个难题正在逐步解决，如果 GaN 已在 LED 和 RF 应用中广泛使用多年，用于商业产品部署的电源制造商现在正在采用它。

数字电源和氮化镓

使电源设计人员的生活如此精彩的原因在于不断创新的水平使提高性能水平成为可能，从而有助于减少我们对环境的影响并创建可持续发展的社会。将数字电源的优势与 GaN 性能以及以低功率损耗进行高频切换的能力相结合，使设计人员能够开发出非常高的功率密度单元。

这种组合产生了具有更低功耗的更小产品，可以满足未来几年预见的严格的未来法规（例如用于待机电源的微安）。一个实际例子是 USB 充电器，通过结合数字和 GaN，几家公司在某些情况下几乎将标准 USB 充电器的功率密度提高了两倍。这还没有讨论适用于现有 500W 占地面积的多千瓦功率因数校正设备。我们都致力于突破极限，毫无疑问，我们正在快速实现 99% 的效率，但作为电源设计人员，我们必须考虑一个新的维度，包括更大的生态系统。

智能电力成为现实

WBG 和数字电源为电源设计人员的工具箱带来了战略性的现有技术，我们每天都在实现新的极限，但在当今世界和行业转型的影响下，电源必须既节能又具有同等性能在它们整合的生态系统中。

从用于充电和与电池通信的 USB-PD +PPS，到动态控制和优化所有电源以降低工厂能耗的大型工厂自动化系统，电源设计人员在设计下一个电源时必须包含新的维度。生成电源解决方案。

如果之前电源和电源/站点管理器之间众所周知的 PMBus 通信是众所周知的，那么包括直接控制电源的机器对机器 (M2M) 通信是相对较新的，并且仅在它的旅程。

工业 4.0 将引入更高级别的软件集成，如果许多电源仍然作为独立单元，我们预计会有大量应用需要电源以非常先进的方式在其生态系统中进行互操作（图 01）。智能行业的智能电源正在成为现实，而且是非常令人兴奋的现实。

综上所述

智能工厂将使用由智能电源设计人员设计的智能电源解决方案，其目标是实现 99% 的效率，但同时又着眼于 99.99% 的雄心勃勃的目标！

审核编辑 黄昊宇