超快速功率计

德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）发布公告称，该所研究人员在基于金刚石氮—空位（NV）中心的超灵敏激光阈值磁强计研究中取得重要进展，可通过受激发射实现64%的信号功率放大，并显示出创纪录的33%的超高对比度。该研究将为进一步开发用于室温和现有背景场下的高灵敏度磁场传感器铺平道路。相关成果发表在近日的《科学进展》杂志上。金刚石中的NV中心是由一个氮原子和一个碳空位组成的原子系统。在被绿色激光照射时，会激发出红光。由于这些原子级NV中心的光度取决于外部磁场的强度，因此它们可用于高空间分辨率的微磁场测量。研究人员成功制造出具有高密度NV中心的金刚石，进而研发高精细的NV激光腔，首次通过实验验证了激光阈值磁强计的理论原理。IAF研究人员扬杰斯克博士解释说：“由于其材料特性，具有高密度NV中心的金刚石在用作激光介质时可显著提高测量精度。”杰斯克团队通过CVD（化学气相沉积）工艺在金刚石生长中实现了高水平的氮掺杂，并使用电子束和热处理，在后处理中使NV密度增加了20—70倍。在表征过程中，他们优化了3个关键因素：高NV密度、通过高通量辐照实现取代氮的高转化率和高电荷稳定性，从而成功生产出具有高密度NV中心的高质量CVD金刚石。此前，NV中心已被用于量子磁传感，但信号一直是自发发射而不是受激发射或激光输出。现在，IAF的研究人员不仅通过受激发射实现了64%的信号功率增加，还创造了一项纪录：与磁场相关的发射显示出33%的对比度和毫瓦（mW）范围内的最大输出功率。

table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="600"tbodytrtd width="123"p style="line-height: 1.75em "成果名称/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "一种埋地钢质管道电磁超声内检测用大功率高频激励源/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 1.75em "单位名称/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "北京工业大学/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 1.75em "联系人/p/tdtd width="174"p style="line-height: 1.75em "王新华/p/tdtd width="159"p style="line-height: 1.75em "联系邮箱/p/tdtd width="192"p style="line-height: 1.75em "wxhemma2005@163.com/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 1.75em "成果成熟度/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "□正在研发 □已有样机 ■通过小试 □通过中试 □可以量产/p/td/trtrtd width="123"p style="line-height: 1.75em "合作方式/p/tdtd width="525" colspan="3"p style="line-height: 1.75em "■技术转让 ■技术入股 ■合作开发 □其他/p/td/trtrtd width="648" colspan="4"p style="line-height: 1.75em "strong成果简介： /strong /pp style="text-align:center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201603/insimg/d522591d-0f2d-4d4a-aa35-3ebf14093fb3.jpg" title="QQ图片20160314182424.jpg" width="380" height="250" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 380px height: 250px "//pp style="line-height: 1.75em " 大功率高频激励源一直是障碍埋地钢质管道电磁超声内检测技术发展的一个关键核心器件，项目以提高电磁超声检测探头的换能效率为目标，基于射频理论提出了一种DE类射频功率变换器技术，它是以D类谐振变换器为设计基础，既具有D类变换器高功率输出特性，又具有E类变换器工作频率高的优点，同时克服了目前D类变换器高频工作性能差以及E类变换器开关利用率低的缺点，实现了高压、高频和大功率输出的功能，大大提高了电磁超声换能器的换能效率。研制开发的大功率高频激励源克服了现有电磁超声用电容储能式脉冲激励源以及全桥逆变式激励源在使用过程中的输出频率低、可控性差、发热大、结构复杂以及难以用作埋地管道电磁超声内检测激励源等缺点，解决了障碍埋地钢质管道电磁超声内检测技术工程化中的关键难题，对提高埋地钢制管道电磁超声内检测仪器研制水平，并为进一步研制和开发更高频率的多通道程控激励源奠定了基础。开发的大功率高频激励源性能指标达到：输出电压400Vpp、输出电流21Ipp、最大输出功率1.5kW、输出激励信号频率1MHz，具有体积小，重量轻，发热小，能够满足埋地钢质管道电磁超声内检测技术的要求。/pp style="line-height: 1.75em "br//p/td/trtrtd width="648" colspan="4"p style="line-height: 1.75em "strong应用前景：/strong br/ 研究成果主要用于研制和开发埋地钢质管道电磁超声内检测器，目前埋地钢质管道电磁超声内检测器在国内尚处于研制空白，研究成果为研制和开发埋地钢质管道电磁超声内检测器奠定了基础。依托研究成果研制开发的埋地管道电磁超声内检测器主要服务于我国生命线工程的安全检测，应用于国内外油田生产企业、石油化工、管道运行、城市燃气公司等行业的埋地长输油气管道、集输管道、成品油管道、站场管道、输水管道、城镇燃气管道的内检测工程需求，仪器需求量大，市场前景广阔。此外，大功率高频激励源是实现电能变换和功率传递的主要设备，是一种技术含量高、知识面宽，更新换代快的产品，产业不仅适用于埋地钢质管道电磁超声内检测，未来还将应用到交通、运输、航空、航天、航运等领域，通过拓展不同的应用领域，扩大产品的市场规模。/pp style="line-height: 1.75em "br//p/td/trtrtd width="648" colspan="4"p style="line-height: 1.75em "strong知识产权及项目获奖情况：/strong br/ 依托该研究成果，已获得国家发明专利2项、计算机软件著作权1项，并得到了北京市科委2014年首都科技条件平台科学仪器开发培育项目& ldquo 基于电磁超声的埋地钢质管道内检测大功率高频激励源的研发培育& rdquo 的支持。 br/ （1）一种大功率高频激励源驱动电路及其实现方法，发明专利：201510515817.7br/ （2）一种满足大功率高频激励源高性能输出的阻抗匹配网络及其实现方法，发明专利：201510280132.9br/ （3）大功率高频激励源控制系统软件. 软件著作权：2015SR032591/pp style="line-height: 1.75em "br//p/td/tr/tbody/tablepbr//p

根据TrendForce集邦咨询最新报告《2024全球GaN Power Device市场分析报告》显示，随着英飞凌、德州仪器对GaN技术倾注更多资源，功率GaN产业的发展将再次提速。2023年全球GaN功率元件市场规模约2.71亿美元，至2030年有望上升至43.76亿美元，CAGR（复合年增长率）高达49%。其中非消费类应用比例预计会从2023年的23%上升至2030年的48%，汽车、数据中心和电机驱动等场景为核心。AI应用普及，GaN有望成为减热增效的幕后英雄AI技术的演进，带动算力需求持续攀升，CPU/GPU的功耗问题日益显著。为了应对更高端的AI运算，服务器电源的效能、功率密度必须进一步提高，GaN已成为关键解决技术之一。台达为全球最大的服务器电源供应商，市占率近5成。观察其服务器电源的进阶过程，功率密度在过去10年里由33.7W/in3上升至100.3W/in3，同时功率等级来到了3.2kW甚及5.5kW，而下一代预计将达到8 kW以上。TrendForce集邦咨询研究表明，2024年AI服务器占整体服务器出货的比重预估将达12.2%，较2023年提升约3.4%，而一般型服务器出货量年增率仅有1.9%。为了抢占商机，英飞凌与纳微半导体均在今年公布了针对AI数据中心的技术路线图。英飞凌表示，将液冷技术与GaN相结合，在较低结温下具有明显的优势，为数据中心提供了巨大的机会，可以最大程度地提高效率，满足不断增长的电力需求，并克服服务器发热量不断增加所带来的挑战。电机驱动场景，GaN高频特性潜力凸显在机器人等电机驱动场景，GaN的应用潜力逐渐浮现。相对工业机器人，人形机器人（Humanoid Robot）由于自由度（Degrees of Freedom, DoF）急剧上升，对电机驱动器的需求量大幅增加。人形机器人的关节模组承担了主要的发力与制动任务，为了获得更高的爆发力，需要配置高功率密度、高效率、高响应的电机驱动器，GaN因此受到市场关注，特别是在腿部等负载较高的部位。 德州仪器、EPC（宜普电源转换）持续推动着GaN于电机驱动领域的应用，并不断吸引新玩家进入。未来的机器人定会超乎想象，而精确、快速和强大的运动能力是其中之关键，驱动其运动所需的电机也势必随之进步，GaN将因此受益。GaN为汽车功率电子提供新方案相对于SiC在汽车产业的繁荣景象，GaN汽车应用亦不断吸引着业界关注，其中车载充电机(OBC)被视为最佳突破点。第一个符合汽车AEC-Q101标准的功率GaN产品在2017年由Transphorm（现Renesas-瑞萨电子）发布，截至目前，已有多家厂商推出丰富的汽车级产品。整体而言，虽然GaN进入Inverter、OBC等动力系统组件还面临着多个技术问题，但相信在英飞凌、瑞萨等汽车芯片大厂的持续投资推动下，GaN不久就会成为汽车功率组件中的关键角色。消费电子仍是GaN的主战场消费电子是功率GaN产业的主战场，并由快速充电器迅速延伸至家电、智能手机等领域。具体而言，GaN已经在低功率的手机快速充电器中被大规模采用，下一步GaN将进入可靠性要求更为严格的笔电、家电电源。另外，其他蕴藏潜力的消费场景包括Class-D Audio、Smartphone OVP等。TrendForce集邦咨询认为，功率GaN产业正处于关键的突围时刻，几大潜力应用同步推动着产业规模加速成长。同时，为了进入更为复杂的大功率、高频化场景，GaN在可靠性基础上有望引入新结构、新工艺，为产业发展注入新动能。另外，从产业发展进程来看，Fabless（无晶圆厂）公司在过去一段时间里表现较为活跃，但随着产业不断整合以及应用市场逐步打开，未来将看到传统IDM（集成器件制造）大厂的话语权显著上升，为产业格局的未来图景带来新的重大变数。