從電力電子設(shè)備使用真空管的早期開始，電力工程師就一直關(guān)注能效、功率優(yōu)化以及如何使電源更可靠、更小、更智能。

我們中可能很少有人記得引入了 Thyratron 或 Julius Edgar Lilienfeld 于 1925 年獲得的場(chǎng)效應(yīng)晶體管專利，但電子行業(yè)充滿了驚人的發(fā)明和創(chuàng)新，所有這些都有助于實(shí)現(xiàn)神話般的 99% 效率水平。

隨著對(duì)環(huán)境和降低能源消耗的日益關(guān)注、滿足政府法規(guī)的需要，當(dāng)然還有個(gè)人倡議，對(duì)電源設(shè)計(jì)人員開發(fā)非常高效的電源解決方案的需求一直很大。但與此同時(shí)，新興應(yīng)用需要具有前所未有的功率密度預(yù)期的更小電源，并且?guī)砀嗬щy。

物理定律就是物理定律，盡管開關(guān)拓?fù)浒l(fā)生了很多變化，但電源設(shè)計(jì)人員還是遇到了障礙，需要一種能夠更快切換、具有更少功率損耗并在可能的情況下在更高溫度下保持良好性能的解決方案。

盡管傳統(tǒng)半導(dǎo)體在技術(shù)上取得了進(jìn)步，但在減小電源的物理尺寸和功率損耗的同時(shí)，將開關(guān)頻率提高 10 倍變得困難。

在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的不同途徑中，對(duì)提供更高性能（例如高能電子帶隙）的材料的探索揭示了氮化鎵和碳化硅的潛力。這兩種材料之前都曾被使用過，例如 SiC 二極管和 GaN LED，但寬帶隙 FET 的使用在電力電子歷史中出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)較晚。

對(duì)于所有新技術(shù)，GaN FET 和 SiC FET 都經(jīng)歷了從創(chuàng)新者開始，到早期采用者，現(xiàn)在達(dá)到早期多數(shù)的經(jīng)典過程。非常有趣的是，可能由于大量的創(chuàng)新者，GaN 和 SiC 制造在解決具有非常高增長(zhǎng)潛力的利基市場(chǎng)方面非常迅速。

寬帶隙 (WBG) 技術(shù)已在許多會(huì)議上提出，但我認(rèn)為真正的開端發(fā)生在 2018 年，當(dāng)時(shí)“挑戰(zhàn)者”展示了 WBG 技術(shù)的商業(yè)潛力。不可能一一列舉，但在推動(dòng) GaN 的領(lǐng)導(dǎo)者中，我想說在 LIDAR（光檢測(cè)和測(cè)距）中實(shí)施 GaN 的高效功率轉(zhuǎn)換 (EPC) 想法非常有趣，尤其是該技術(shù)在新一代車輛。2018 年也是 USB 適配器制造商開始考慮實(shí)施 WBG 的一年。Navitas 是創(chuàng)新公司的另一個(gè)例子，它在早期通過在同一襯底上封裝驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)將 GaN 集成推向了更高的水平。如果今天，智能 GaNFET 正在成為標(biāo)準(zhǔn)，

如果 WBG 是一項(xiàng)非常有前途的技術(shù)，我們應(yīng)該記住 2003 年作為一項(xiàng)有前途的技術(shù)出現(xiàn)的名為“數(shù)字電源”的技術(shù)的另一個(gè)象征性里程碑。

與 17 年前的數(shù)字電源一樣，僅僅幾年前才開始其旅程的 GaN 也遵循了類似的路徑，逐漸從“技術(shù)好奇心”轉(zhuǎn)向“商業(yè)產(chǎn)品”。數(shù)字電源和 GaN 都是在引入市場(chǎng)時(shí)受到挑戰(zhàn)和激烈爭(zhēng)論的技術(shù)，以這種方式將它們聯(lián)系起來很有趣，特別是當(dāng)結(jié)合這兩種技術(shù)的最佳結(jié)果產(chǎn)生真正出色的商業(yè)產(chǎn)品時(shí).

一步步走向成熟

與任何新技術(shù)一樣——尤其是在具有破壞性的情況下——從研究水平到大批量生產(chǎn)的過渡是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，其中包括電子工程師的新學(xué)習(xí)，在 GaN 的情況下，零電壓開關(guān)拓?fù)涞膶?shí)施需要非常具體的驅(qū)動(dòng)程序和控制它們的新方法。

盡管 GaN 晶體管具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但多年來缺乏驅(qū)動(dòng)程序限制了工業(yè)設(shè)計(jì)師的興趣水平。值得慶幸的是，在過去兩年中，越來越多的半導(dǎo)體廠商投資于 GaN，這使得這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施變得更加簡(jiǎn)單。

許多技術(shù)壁壘已被消除。制造工藝逐漸優(yōu)化以提高產(chǎn)量和降低成本，實(shí)施了特定于該技術(shù)的質(zhì)量工藝，2017 年 11 月，JEDEC 組織宣布成立一個(gè)新委員會(huì)，為寬帶隙功率半導(dǎo)體 (JC-70) 制定標(biāo)準(zhǔn). 隨后，2019 年 2 月發(fā)布了出版物 JEP173：基于 GaN HEMT 的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻測(cè)試方法指南。這個(gè)難題正在逐步解決，如果 GaN 已在 LED 和 RF 應(yīng)用中廣泛使用多年，用于商業(yè)產(chǎn)品部署的電源制造商現(xiàn)在正在采用它。

數(shù)字電源和氮化鎵

使電源設(shè)計(jì)人員的生活如此精彩的原因在于不斷創(chuàng)新的水平使提高性能水平成為可能，從而有助于減少我們對(duì)環(huán)境的影響并創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。將數(shù)字電源的優(yōu)勢(shì)與 GaN 性能以及以低功率損耗進(jìn)行高頻切換的能力相結(jié)合，使設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)出非常高的功率密度單元。

這種組合產(chǎn)生了具有更低功耗的更小產(chǎn)品，可以滿足未來幾年預(yù)見的嚴(yán)格的未來法規(guī)（例如用于待機(jī)電源的微安）。一個(gè)實(shí)際例子是 USB 充電器，通過結(jié)合數(shù)字和 GaN，幾家公司在某些情況下幾乎將標(biāo)準(zhǔn) USB 充電器的功率密度提高了兩倍。這還沒有討論適用于現(xiàn)有 500W 占地面積的多千瓦功率因數(shù)校正設(shè)備。我們都致力于突破極限，毫無疑問，我們正在快速實(shí)現(xiàn) 99% 的效率，但作為電源設(shè)計(jì)人員，我們必須考慮一個(gè)新的維度，包括更大的生態(tài)系統(tǒng)。

智能電力成為現(xiàn)實(shí)

WBG 和數(shù)字電源為電源設(shè)計(jì)人員的工具箱帶來了戰(zhàn)略性的現(xiàn)有技術(shù)，我們每天都在實(shí)現(xiàn)新的極限，但在當(dāng)今世界和行業(yè)轉(zhuǎn)型的影響下，電源必須既節(jié)能又具有同等性能在它們整合的生態(tài)系統(tǒng)中。

從用于充電和與電池通信的 USB-PD +PPS，到動(dòng)態(tài)控制和優(yōu)化所有電源以降低工廠能耗的大型工廠自動(dòng)化系統(tǒng)，電源設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)下一個(gè)電源時(shí)必須包含新的維度。生成電源解決方案。

如果之前電源和電源/站點(diǎn)管理器之間眾所周知的 PMBus 通信是眾所周知的，那么包括直接控制電源的機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 通信是相對(duì)較新的，并且僅在它的旅程。

工業(yè) 4.0 將引入更高級(jí)別的軟件集成，如果許多電源仍然作為獨(dú)立單元，我們預(yù)計(jì)會(huì)有大量應(yīng)用需要電源以非常先進(jìn)的方式在其生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行互操作（圖 01）。智能行業(yè)的智能電源正在成為現(xiàn)實(shí)，而且是非常令人興奮的現(xiàn)實(shí)。

綜上所述

智能工廠將使用由智能電源設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的智能電源解決方案，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn) 99% 的效率，但同時(shí)又著眼于 99.99% 的雄心勃勃的目標(biāo)！

審核編輯 黃昊宇