GaN Systems CEO：GaN晶体管掀起电源转换市场新革命之全解读

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电源转换市场相当可观，达150亿美元。整个世界的计算量正变得越来越大，我们生活中所使用的电子元器件越来越多，并且更多的人需要使用电子产品；为了更谨慎地利用我们的资源，电源转换的效率变得愈加重要。而对于功率半导体来说，这意味着需要有更好性能的革命性解决方案。

然而，功率半导体的变化相对摩尔定律要慢得多。摩尔定律说的是，差不多每两年，IC内的晶体管的数量翻一倍。功率半导体器件的创新周期却是20年——从真空管，到FET，到双极型晶体管，到MOSFET，到IGBT，再到现在，我们进入到了GaN晶体管的新时代。

                               
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图1：功率半导体创新周期为20年。

GaN晶体管为何能够实现极高效率？

GaN晶体管由于能够实现更轻巧、更便宜的电源转换，正在成为MOSFET和IGBT产品的替代解决方案。日前，借GaN Systems公司CEO Jim Witham先生来华之际，EDN China记者有幸对其进行了独家专访。从这次的采访中，笔者了解到了GaN晶体管在器件本身和应用上的各种优势，以及GaN Systems公司技术的独到之处——请看下文。

                               
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图2：GaN Systems公司CEO Jim Witham先生。

首先，对于电源设计人员来说，GaN晶体管的好处在哪里？看看下图便一目了然——左边的是用硅器件制作的电源，右边的是用GaN器件制作的电源。具体来说，GaN相比硅器件，拥有更好的材料特性：1000倍开关速度，10倍电阻/面积，以及13倍的品质因数。而电源设计借此则可以得到以下改进：更高效率（降低50%~90%损耗），更小（1/4尺寸），更轻（1/4重量），更低的系统BOM成本。

                               
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图3：GaN晶体管相较硅晶体管的优势

GaN晶体管适用的功率范围为5W到500kW，因此可以用到很多应用当中。“GaN最根本的特性是开关速度更快。如果开关速度更快，那损耗就可以降低，而效率也就越高。”Witham先生解释说，“通常，电源的平均效率大约是90%，因此有10%的能量流失了。而一般的GaN晶体管的效率是98%或99%。此外，由于开关速度更高，频率越高，电感、电容和变压器都可以变得更小。当效率变高时，散热器也就可以变得更小，甚至是可以不需要。因此电源就可以做得更轻巧，BOM成本也更低，出货的部件也更小。”

GaN晶体管适用的市场包括：消费类、企业级、工业以及交通（如图4所示）。其中的三大应用包括：汽车驱动用电机、充电器以及DC/DC转换器。“从中国的角度来说，中国的产品遍布世界各地。我们去访问的客户都有很多的适配器产品，比如华为和中兴的市场很大。工业太阳能也在壮大。中国的电动汽车（EV）市场也在激增，大家都对这个市场非常着迷。”Witham先生透露。

                               
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图4：GaN晶体管适用的市场一览

相同的产品既可以用于5W的手机用电源适配器，又可以用于丰田（Toyota）的55kW电动车牵引电动机。更高的效率、更小的体积、更轻的重量、更低的成本，这些都是因为GaN的开关和传导性能要更高。