APEC 2022 上的电力电子：下一步是什么？

APEC是最重要的电力电子盛会之一。来自学术界和工业界的许多人有机会讨论了有关GaN 和 SiC的最新消息。在会议期间，我有机会与这么多专家交谈，并进一步冒险进入这个惊人的宽带隙生态系统。

有一点是肯定的：GaN 和 SiC 是未来，但硅将始终发挥作用，晶圆上的新更新（将在文章中介绍）势必会改善特性。事实上，Applied Novel Devices (AND) 正在与 Skywater Technology 合作开发一种新的晶体管技术，该技术可为快速开关电源转换应用提供显着优势。功率 MOSFET 通过 AND 的专有通道工程技术提供 2 倍的低输出电荷、接近零的反向恢复和超低 Qoss。硅会卷土重来吗？我们会看看接下来会发生什么。

研讨会

田纳西大学诺克斯维尔分校 (UTK) 教授 Fred Wang 谈到了用于电网应用的新兴高压 SiC 器件，重点关注 HV SiC 在转换器（设备）和系统级的潜在优势。同一天，PowerAmerica/北卡罗来纳州立大学的 SiC 教授 Victor Veliadis 说明了宽带隙双向开关及其对未来交流电源转换器和应用的影响。碳化硅将提高效率，使产业链中的所有动力总成更有效地制造。下一代电动汽车将成为复杂智能电网的一部分，其关键特征是完整的双向智能节点。

图 1：Si、SiC 和 GaN（来源：Victor Veliadis – Infineon）

图 2：宽带隙应用（来源：Victor Veliadis，图表：Isic C. Kizilyalli等人，ARPA-e 报告 2018， https ://arpa-e.energy.gov/sites/default/files/documents/files/ ARPA-E_Power_Electronics_Paper-April2018.pdf )

Efficient Power Conversion Corporation 的应用副总裁 Michael A. de Rooij 和电机驱动系统和应用总监 Marco Palma 谈到了 GaN 对 BLDC 电机驱动的好处——设计、性能、冷却和可靠性。今天，永磁电机，也称为直流无刷电机，被广泛使用，与其他电机相比，每立方英寸的扭矩能力更高，动态性能更高。到目前为止，基于硅的功率器件在逆变器电子产品中一直占主导地位，但如今，它们的性能已接近其理论极限。对更高功率密度的需求日益增加。氮化镓晶体管和 IC 具有满足这些需求的最佳属性。

宽带隙和电源应用

Danisense 正在通过提供各种电流传感器重新定义高端电流传感器市场。电流传感器技术的选择取决于应用。下面的表 1 比较了这些不同技术的主要测量参数的性能。

表 1：当前传感器应用（来源：Danisense）

Pre-Switch 正在开发其Cleanwave用于工业应用的逆变器，旨在减小尺寸和重量。Pre-switch 的首席执行官 Bruce Renouard 与他的团队开发了世界上第一个 AI DC/AC、AC/DC 软开关控制器，为包括电动汽车和可再生能源在内的各种应用提供了效率和性能优势，并且它已经发布了其 Cleanwave 200kW 逆变器参考的第一个数据。预先使客户能够构建开关频率比硬开关 IGBT 系统快 4 到 5 倍、比硬开关 SiC 和 GaN 系统快 35 倍的系统。Pre-Switch 通过使用人工智能 (AI) 不断调整开关系统内元件的相对时序，从而克服了这些挑战，迫使谐振抵消电流和电压波形，从而最大限度地减少开关损耗。

在 APEC 上，Rohm 展示了一种新型电源技术 QuiCur，该技术可改善 DC/DC 转换器 IC（开关稳压器）和 LDO（线性稳压器）的负载瞬态响应特性（涉及响应速度和后级电压稳定性的响应性能）。此外，ROHM Semiconductor 还发布了新的 150V GaN HEMT，即 GNE10xxTB 系列 (GNE1040TB)，可将栅极耐受电压（额定栅极-源极电压）提高到业界领先的 8V，非常适合应用于工业设备的电源电路，例如基站和数据中心，以及物联网通信设备。除了大量生产的 SiC 器件和功能丰富的硅器件，ROHM 还开发了 GaN 器件，可在中压范围内实现出色的高频操作，

在新闻发布会上，Power Integrations 的营销副总裁 Doug Bailey 和培训总监 Andy Smith 介绍了 HiperLCS-2 和 HiperPFS-5。第一个是离线 LLC Switcher IC 芯片组。它在高达 250 W 的 LLC 谐振电源转换器中实现了 98% 的效率和 40% 的组件数量减少。该芯片组无需笨重的散热器或不可靠的光耦合器。相反，HiperPFS-5 是一款高级功率因数校正 (PFC) 控制器 IC，集成了 750 V PowiGaN 开关，针对负载范围内的高功率因数和效率进行了优化。

Transphorm 技术营销、应用和业务开发高级副总裁 Philip Zuk 强调了 GaN 产品组合，其中包括 JEDEC 和 AEC-Q101 形式的 650 V 和 900 V 器件以及各种封装。该产品组合的技术优势很大程度上是由公司的垂直整合驱动的。这种操作模式在 GaN 半导体行业中并不常见，它允许 Transphorm 控制其器件的设计、外延片（起始材料）和制造工艺。如今，Transphorm 在最广泛的电源应用中支持最广泛的电源转换要求（45 W 至 10+ kW）：电源适配器、数据中心和游戏 PSU、加密采矿设备、电动汽车转换器、可再生能源逆变器、广泛的工业系统、航空航天和国防系统等。

EPC 首席执行官 Alex Lidow 展示了最新的 GaN 解决方案，例如用于高密度计算和汽车的 48 V DC-DC，用于仓库自主机器人、电动汽车和无人机等各种应用的基于 GaN 的电机驱动器以减小尺寸和重量，扩大范围并提高可靠性。而且，基于 GaN 的 USB-C 快速充电器可以比传统的基于硅的充电器小 40%，充电速度快 2.5 倍。

从硅 (Si) 到宽带隙（SiC 和 GaN），英飞凌演讲者讨论了业界种类最多的电源解决方案，使产品设计人员能够实现从性能和效率到可靠性和成本目标的关键设计标准。其 EVAL-M1-6ED2230-B1 电源评估板（在展台上展示）包括一个 1200 V 三相栅极驱动器 6ED2230S12T 和一个 EasyPIM 1B 1200 V 三相模块 FP15R12W1T4。它旨在支持功率范围高达 2 kW 的电机驱动应用。它提供交流和直流输入以及三相电源输出，并提供用于电流感应的单发射极分流器和用于直流母线电压测量的分压器。

NexGen Power Systems 展示了由垂直 GaN 器件驱动的技术。从超紧凑的笔记本电脑电源适配器到更时尚、更智能的照明设计，从高能效的超大规模数据中心到续航里程更长的电动汽车，NexGen 声称能够改变电源方程。NexGen Power Systems 联合首席执行官 Dinesh Ramanathan 表示：“实现下一代电力应用需要改变游戏规则的系统级重塑。“NexGen 处于最前沿：成为推动清洁和可再生能源转型前沿的创新电力转换系统的领先设计者、开发商和制造商。”

德州仪器副总裁兼总经理 Steve Lambouses 讨论了未来的电源管理设计挑战，包括提高功率密度、降低电磁干扰 (EMI)、噪声、静态电流 (IQ) 和扩展可靠性。

GaN Systems 首席执行官 Jim Witham 展示了用于车载充电器、牵引逆变器和 DC-DC 转换器实施的最新解决方案。他还向我们介绍了 Syng Alpha Cell，这是 TIME 的 2021 年 100 项最佳发明之一，并强调了通过 Orchard Audio 的 Starkrimson Stereo Ultra 放大器和一体式 Starkrimson Streamer Ultra 等产品提供最佳 D 类音频的解决方案，以及来自 Axign 和 GaN Systems 的新型 500W 无散热器音频放大器。

Innoscience Technology 总经理 Denis Marcom 谈到了与 Heyday 和 MinDCet 等专业栅极驱动器公司的最新合作。Innoscience 的 GaN HEMT 器件可与 TI、On-Semi、STM、Joulwatt、Southchip、NXP、MPS、Meraki 和 Nuvoltatech 的其他商用栅极驱动器结合使用。我们在这里写过关于 Innoscience 的文章。

碳化硅晶片

是德科技产品经理 Steven Lee 强调了测试和测量对宽带隙解决方案的重要性。热测试、专用和通用电子仪器以及高速、大电流连接都有助于将高质量的宽带隙设备推向市场，并加速其在从可再生能源到电动汽车等应用中的应用。

Microchip 团队重点介绍了其 SiC 电源解决方案，以提供最快的上市时间、最低的风险和最低的解决方案总成本。解决方案包括业界最广泛和最灵活的 SiC 芯片和二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)、可定制的高级功率模块设计和封装以及栅极驱动器产品组合。在Microchip 收购 AgileSwitch之后，该团队设定了一个目标，即开发一种专门用于 SiC 的栅极驱动器 IC，采用 Microchip 的开关技术，所有这些都集成到一个新的栅极驱动器基板中。

在 APEC 上，村田宣布开发出 MYC0409，这是业界功率密度最高 (5.4kW/inch 3 ) 的 48 Vin 4 分压电荷泵电容分压器模块，所有无源元件都集成在薄型 PSiP 封装中。该设备能够提供高达 72 瓦的功率，峰值效率约为 97%。这种交错式开关电容器架构基于村田独特的无损电荷泵技术，可提供极低的输入和输出纹波性能。该解决方案采用紧凑的占位面积，高度为 2.0 毫米，非常适合薄型应用和系统板底部放置。

STMicroelectronics 展示了用于 21 kW 电池充电的完整 AC/DC 解决方案演示，该解决方案利用交错 7 kW 相位的数字控制和 180 kW 牵引逆变器驱动电源模块，以及完全集成的 AC/DC 至 65 W USB-PD 控制器具有 GaN 功率级。65 W ST-ONE 和 ViperGaN 45 W 演示，用于 USB-PD 和具有 45 W 单端口接口的基于 GaN 的 AC/DC VIPerPlus 解决方案。

Skyworks 产品线经理 Asa Kirby 讨论了电动汽车的最新解决方案。Si828x 隔离式栅极驱动器非常适合驱动各种逆变器和电动汽车系统中的碳化硅 (SiC) FET、IGBT 和硅 MOSFET，并支持高达 5.0 kV RMS 和符合 UL1577 的耐受电压，从而实现更高的性能、更低的与其他隔离式栅极驱动器技术相比，温度和使用年限的变化、更紧密的部件间匹配以及卓越的共模抑制。Si823Hx 器件是强大的栅极驱动器，适用于基于硅、GaN 或 SiC 的电源转换器系统，例如 SMPS 或逆变器。特性包括具有 VDD 能力的稳健 30 V 驱动器、用于更严格环路控制的低延迟、噪声过滤；125 kV/µs 的高 CMTI、输出引脚上的 -5 V 耐压和过温保护。

Aehr Test Systems 销售和营销执行副总裁 Vernon Rogers 强调了碳化硅在制造方面的下一个挑战。生产 SiC 的主要挑战涉及材料的特性。由于其硬度（几乎类似于金刚石），SiC 需要更高的温度、更多的能量和更多的时间来进行晶体生长和加工。此外，最广泛使用的晶体结构 (4H-SiC) 具有高透明度和高折射率的特点，因此难以检查材料是否存在可能影响外延生长或最终组件良率的表面缺陷。

Exawatt 高级研究分析师 Adam Dawson 谈到了该公司前段时间发布的 SiC 报告。Exawatt 预测，到 2030 年，在我们的三个情景中，电动汽车的 SiC 器件和模块总目标市场 (TAM) 将在 3.3 到 43 亿美元之间。SiC 供应链中的公司也很忙，对产品和产能进行了一波投资，加上越来越多的推动垂直整合和行业内的整合。

Eggtronic 首席执行官 Igor Spinella 谈到了 EcoVoltas 超高效电源转换器，该转换器可最大限度地提高性能、最小化外形尺寸并提高 AC/DC 电源方案的可靠性，应用范围从移动设备和笔记本电脑的快速充电器到适配器用于扬声器、数据中心服务器和电动汽车的电源和转换器。EcoVoltas 演示包括最近推出的 QuarEgg——一种比传统准谐振 (QR) 和有源钳位反激 (ACF) 技术提供卓越效率和更低待机功耗的架构——以及用于中等功率、PFC 的零电压开关 (ZVS) 解决方案在展会期间推出的应用程序。

泰戈尔科技在 APEC 上首次展示了其尺寸更小的 650-V GaN 电源解决方案。虽然 USB-PD 确保了广泛的兼容性，但电源适配器设计变得更具挑战性：它现在必须支持广泛的输出电压（相对于固定使用适配器的单一输出电压）。与此同时，最终用户对更轻、更小的适配器的需求占主导地位。近年来，已经开发出氮化镓功率开关来满足这些双重需求。

Nexperia 已在达拉斯启动了一个新的设计设施，并为其 MOSFET 推出了新的、改进的电热模型。半导体制造商通常为其 MOSFET 提供仿真模型，但这些模型通常只包括在典型工作温度下建模的有限数量的器件参数。Nexperia 的新高级模型可在 -55 °C 至 175 °C 的整个工作温度范围内捕获整套设备参数的热相关性。在 APEC 上，Nexperia 还展示了 MOSFET 和 GaN 解决方案，特别是包含 Nexperia 功率 GaN FET 技术的 Ricardo EV 逆变器，

Onsemi 展示了其用于电动汽车的车载充电器评估板。根据 onsemi 工程师 Hussain Athab 的说法，客户故事不断推动 GaN 和 SiC 之间的竞争。他说：“我会考虑设计中的挑战，由于碳化硅，它仍然是 MOSFET。从栅极驱动技术来看，还是类似于 MOSFET，在栅极电平电压多少方面略有不同。设计人员很容易采用基于碳化硅 MOSFET 的设计而不是 GaN，因为同样，作为一种技术，它的行为不同。这是一个非常快速的设备。因此，由于典型 PCB 中存在寄生效应，因此对于 PCB 设计人员来说，处理快速器件并不是一件容易的事。”

Navitas Semiconductor 宣布出货量突破 4000 万台，与 GaN 相关的现场故障报告为零。Navitas 专有的 GaNFast 功率 IC 集成了 GaN 功率 (FET) 和 GaN 驱动器以及自主控制、传感和保护。其结果是易于使用、高速、高性能的“数字输入、电源输出”构建块，可提供高达 3 倍的充电速度、一半的尺寸和重量，与相比节能高达 40%与早期的硅解决方案。此外，他们还宣布为其 GaNFast 技术提供突破性的 20 年有限保修——比典型的硅、SiC 或分立 GaN 功率半导体长 10 倍——并且是 GaN 在数据中心、太阳能和电动汽车市场采用的关键加速器。

Empower Semiconductor 展示了其集成稳压器 (IVR) 以及传统电容器的创新硅基替代品。Empower 的 IVR 是高性能电源管理芯片，旨在通过用单个微型 IC 取代传统的电源管理集成电路 (PMIC)，为耗能大、数据密集的电子应用提供效率、尺寸和成本优势。Empower 半导体销售和营销高级副总裁 Steve Shultis 谈到了 E-CAP。Empower E-CAP 是一种紧凑、高性能、可配置的硅基替代品，可替代多层陶瓷电容器 (MLCC)。

FSB 董事会成员兼顾问 Satya Dixit 展示了一种新的GaN Epitaxi 晶圆。氮化镓 (GaN) 已成为第三代半导体中事实上的材料。然而，以您需要的质量和您想要的热阻制造 GaN 晶圆仍然是 Fab 试图回答的问题。通过使用远程外延和二维材料层转移（2DLT）等独特技术，FSB 旨在通过使用远程等独特技术以低成本提供高质量和大规模的独立式 GaN 晶圆和 IP外延和二维材料层转移（2DLT）。

Advanced Energy (AE) 超大规模技术营销高级总监 Harry Soin 阐释了数据中心 48V 电源的下一个战略。AE 为超大规模和云领域的行业领导者提供多种架构。Open CloudServer (OCS) 和 Project Olympus，还有 OCP ORv2 电源架，一个 21 英寸机架，配备 3.3-kW、12-V PSU。其最新的解决方案是 48-V、30-kW 双馈 EIA 2 RU 电源架，其目标是在超大规模和企业数据中心中最大限度地降低功耗并提高计算和存储应用程序的可靠性。

ACDC 营销总监 Ahsan Zaman 和 Silanna Semiconductor 营销总监 Hubertus Notohamiprodjo 宣布了他们的第一个多端口快速充电器参考设计。新的 AnyPort RD-5结合了公司的 CO 2 Smart Power 系列先进 ACF 控制器和高频 DC/DC 转换器，为多端口 65W USB 提供高功率密度、超高效、生产就绪的解决方案-PD 应用。此外，他们还推出了 65W 入墙式 GaN（氮化镓）快速充电器。新的 3510PDFE 充电器尺寸为 42mm x 42mm x 30mm，采用 Silanna 的 SZ1131 有源钳位反激式 (ACF) 控制器设计。这是 Smarter Living 将为全球市场提供的一系列紧凑型墙壁插座中的第一款。

我还有机会与 Bs&T Frankfurt am Main GmbH 董事总经理 JC Sun、Cambridge GaN Devices 业务发展副总裁 Andrea Bricconi、AMX 销售经理 Alessio Greci、客户运营首席执行官兼执行副总裁 Dennis Riccio 进行了交谈在 X-trinsic，有线和无线技术 (WAWT) 的创始人兼首席分析师 Dinesh Kithany 和 MinDCet 团队与战略业务发展经理 David Czajkowski。

Cambridge GaN解释说，新的GaN解决方案将从大门进入市场。单击此处收听 Andrea Bricconi 的播客采访。

几乎所有行业对组件的需求都在增加——同时，来自汽车、智能手机、医疗和物联网市场，这些市场需要越来越多的组件（磁性、电源等）来生产成品。可以在这里找到对 JC Sun 的采访。在下一个 PowerUP 播客中，您将听到其他磁场专家的声音，例如线圈绕组的 Lee Emanuel 和 BH Electronics 的 John Decramer。

AMX 为其烧结机开发了一种新型烧结工具 Micro-Punch，它可以独立地以特定压力（热敏电阻、IGBT、MOSFET、模具、芯片）将每个组件压在基板上。据 AMX 称，Micro-Punch 工具可确保均匀的压力并消除诸如模具破裂、倾斜、分层和空洞等高价值问题。点击这里查看更多信息。

由于碳化硅在电动汽车和新能源等行业的相关性，一些公司已经审查并投资于晶圆技术，以制定需求驱动的发展战略。X-Trinsic 是一家旨在改进制造工艺的公司，专注于尽快加快产品在 SiC 领域的采用。点击这里查看更多信息。Dinesh Kithany 谈到了许多与无线电力相关的话题。欲了解更多信息，请阅读这篇文章。MinDCet 正在研究 GaN 解决方案。我们在这里讨论了使用FTEX 的第一个解决方案。

APEC 是一个伟大的盛会，我很高兴见到了很多在电力电子市场上努力工作的伟大人物。我的目标是将所有社区团结起来，共同推动电力电子的成功，因为这个市场对于多个能源方面都至关重要。PCIM 见！

审核编辑 黄昊宇