節能意識高漲，如何提高能源使用效率，已是產業界共通的發展課題。為此，半導體業者近年積極投入、研發新的元件和技術，力求提升高功率電源系統能源效率；而氮化鎵(GaN)因具備更高的開關速度、更低的切換損失等特性，因而躍居電源設計新寵兒。許多電源相關晶片業者紛紛將未來產品重心放在GaN的應用導入，像是伺服器電源、電動車、電源適配器，以及無線充電等，皆是GaN重點應用市場；而為提升GaN元件普及率，電源相關晶片業者所研發的解決方案也相繼出籠，GaN的市場因而蓬勃發展。
宜普/捷科攜手出擊 強拓無線充電版圖
宜普電源轉換公司(EPC)全力布局無線充電市場，並於Computex 2018與捷佳科技(jjPlus)共同展示新一代磁共振無線充電發射器–CPT030A。宜普電源轉換公司首席執行長Alexander Lidow(圖1)表示，有別於Qi或PMA的磁感應(Magnetic Induction)無線傳輸技術，jjPlus/EPC著重在技術質量更高、應用層面更廣的磁共振(Magnetic Resonance)無線傳輸技術。
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Lidow指出，磁共振無線傳電的主要優勢是距離與輸出功率的優勢，另外磁共振的線圈又有高Q值的特性，主副線圈之間方向錯位的容許度也跟著提升，此一優勢可大幅增加充電的成功率。
捷佳科技總經理舒中和(圖2)則表示，傳輸更大功率、更遠的距離並在更大的面積上對多個電子設備供電，是無線電源傳輸系統的目標；而磁共振技術可以實現大面積電源傳輸、自由放置各個設備及可以同時對多個設備供電。
據悉，由EPC和捷佳科技共同發展的無線充電發射器CPT030A，是採用EPC旗下氮化鎵場效應電晶體(eGaN FET)，可使用單個發射器對多個採用不同配置的接收器供電。該產品具備大面積天線設計，可同時支援高度共振、最多共8個接收不同功率的電源接收單元(PRU)。
舒中和指出，市場對於無線充電的需求開始逐漸轉變，過去消費者想要的是5~7.5W的極短距離(低於1cm)，像是手機的無線充電；但如今已變成大多是15W以上的中距離(1cm~20cm)應用，因此，用於無線充電的功率元件效能、功率和傳輸距離都須要提升。像是該公司旗下磁感應發射與接收模組功率便從20W起跳，無線距離可達3.5cm，現已應用在小型機器人無線充電市場；未來還會推80W/3.5cm的產品，也將在2018年底推出傳輸距離長達20公分的傳輸模組，滿足市場需求。
Lidow則表示，除了提升傳輸距離外，進一步增加無線充電的傳輸面積也十分重要，像是該公司與捷佳於Computex 2018展出的無線供電桌面墊，就是以增加面積而達到一對多個供/充電的產品。此一大面積磁共振發射線圈甚至可以裝在傢俱、牆面或地板裡，而成為實現無線充電家庭與辦公室的重要供電來源。
GaN Systems攜手羅姆 推動GaN普及
和EPC相同，GaN Systems也積極拓展無線充電市場，於近期發布兩款全新無線功率放大器，包括功率範圍為70W至100W功率放大器GS61008P和功率範圍為150W至1kW的功率放大器GS66508B。
GaN Systems戰略銷售副總裁Paul Wiener表示，無線充電將愈加普及，而GaN可用來實現更小、更輕、成本更低，以及效率更高的電源系統，提供更自由和更快速的充電。
兩款新推出的功率放大器均具備電流/電壓控制，內置保護電路，EMI濾波等功能，而70W至100W功率放大器適用於消費市場，像是筆記型電腦、無人機、電動工具，以及智慧手機快速充電等；而另一款產品則適用於工業和運輸市場，包括運輸無人機、倉儲機器人、醫療單位與電動自行車等。
另一方面，為了推動GaN功率元件市場發展，GaN Systems也宣布與羅姆(ROHM)攜手合作，雙方將共同推動GaN功率元件的研發活動，針對工業設備、汽車電子及民生家電領域推出更多創新性的產品。
GaN Systems執行長Jim Witham指出，雙方合作將利用GaN Systems的GaNPX封裝技術，以及ROHM在功率元件的傳統封裝技術，聯合開發出新一代GaN功率元件，提供更多的電源解決方案來滿足市場需求，使越來越多的企業能夠實際體驗GaN在高功率輸出、高效率、小型輕量化方面的優勢。
瞄準中國版圖 納微於杭州開設研發中心
除了無線充電外，消費性產品(如電源適配器)也是GaN的主要應用市場，而要使GaN能用於消費性產品，就必須要作到「短小輕薄」。
納微半導體(Navitas)銷售和市場副總裁Stephen Oliver(圖3)表示，消費性市場對產品價格、體積非常要求，如果無法打造高整合度的GaN功率IC，便無法打進消費市場。高整合的GaN功率IC不僅切換頻率可更高，效率也再上層樓，因而能達到更好的節能效果，並同時實現小尺寸、低成本和更快速充電。
因應此一市場需求，該公司前陣子便發布專有的AllGaN半橋GaN功率IC，其採用iDrive單晶片技術，整合了所有半橋功能，提供高達2MHz開關速度，不僅提升充電速度，也大幅減少尺寸、成本和重量。
值得一提的是，該產品採用了主動箝位返馳(Active Clamp Flyback, ACF)架構進行設計，適合用於20~30W的智慧手機快速充電器、平板電腦、可穿戴設備等的外部適配器。
另外，看好GaN有望於中國市場快速成長，Navitas也宣布於中國杭州開設新的GaNFast研發中心，協助合作夥伴和客戶設計高效能的電源轉換器；運用GaN設計的電源轉換器和過往的矽(Si) MOSFET相比，能縮小50%的體積和減輕50%的重量，為行動終端設備提供更快的充電速度。
Navitas高級應用總監兼新研發中心負責人徐迎春表示，此一研發中心擁有產品設計經驗豐富的高水準應用工程師團隊，將專注於開發高頻、高效、高功率密度的電源系統，並協助客戶充分發揮GaNFast功率IC的關鍵性能和優勢。該公司擁有開發新型先進電源架構的工具、技能和資源，同時能夠確保開發高效率、優異的熱性能和EMI性能等關鍵技術指標，以符合客戶需求。
Navitas首席技術長Dan Kinzer則說，杭州是中國學術和創新的中心之一，與浙江大學電力電子中心和杭州、上海、蘇州等周邊客戶的研究機構有著密切聯繫，具備地利人和，而該公司的願景是利用性能出眾的GaN功率元件創造出高頻、高效、高密度的新型電源系統。
推動600V以上應用 英飛凌CoolGaN量產
相較於上述幾家電源供應商，英飛凌(Infineon)則是以600V以上的市場為主，並宣布旗下CoolGaN產品將於2018年底開始量產，目前已於市場提供具備高可靠度的GaN解決方案的工程樣品。
英飛凌高電壓轉換部門資深協理Steffen Metzger認為，GaN是電源管理的下一個明日之星，因GaN可降低營運支出及資本支出，提升功率密度實現更精巧輕盈的設計，乃至於減少整體系統成本，該公司將持續積極推廣GaN元件，而由英飛凌所研發的CoolGaN，在同樣的儲能空間下可達到兩倍的輸出功率，可釋出更多空間並提升效率。
據悉，CoolGaN 400V及600V e-mode HEMT將於2018年底開始全面量產。CoolGaN 400V將提供70mΩ，採用SMD底層散熱TO-leadless及頂層散熱DSO-20-87封裝；CoolGaN 600V則採用頂層散熱DSO-20-87封裝及底層散熱DSO-20-85封裝。70mΩ及190mΩ的600V CoolGaN裝置採用底層散熱TO-leadless及DFN8×8封裝，讓600V CoolGaN產品組合更為完備。
英飛凌電源管理及多元電子事業處資深經理陳清源指出，英飛凌目前雖著重於600V以上的市場，並將在2018年第四季作廣泛的推廣，但未來也會朝中低壓，以及200V以下的市場邁進。
Transphorm第三代GaN FETs強化抗干擾能力
同樣瞄準600V以上市場商機，另一家電源晶片商Transphorm則於近期宣布推出第三代(Gen III)650V GaN FETs，分別為TP65H050WS 50mΩ FET和TP65H035WS 35mΩ FET；兩者均採用標準TO-247封裝，可降低電磁干擾(EMI)，提高閘極雜訊抑制能力，於電路應用中可提供更大的設計餘量(Design Margin)
和上一代產品相比，新推出的650V GaN FETs可以將閘極門檻電壓(雜訊抗擾性)，從2.1V提高到4V，而毋須使用負壓閘極驅動。同時，該產品閘極可靠性額定值為±20V，比第二代增加11%。因此具備更安定的切換效率；此外，該平台可簡化外部電路，並可操作於更高的電流水平以實現更好的性能。
Transphorm資深工程副總裁Yifeng Wu指出，新產品為更安全，更具成本效益的高電壓GaN FET，將能滿足市場高效率低損耗的需求，像是工業系統電源應用、數據中心、商用電源，以及可再生能源等。
目前該公司所推出的第三代650V GaN FETs，已經獲得海韻電子採用，應用於其最新發表的1600W無橋圖騰柱功率因數校正(PFC)平台。海韻電子指出，和採用矽平台相比，使用GaN的平台提升了2%的效率和提升了20%的功率密度。
據悉，此一1600T平台使用Transphorm旗下的TP65H035WS元件，該元件在硬切換和軟切換開關電路中實現了更高的效率，此外，該產品能應用於常用的閘極驅動器，可在控制成本的同時簡化設計。
總而言之，為實現更高的能源使用效率，半導體業者無不積極研發新的元件和技術；而採用GaN材料所製成的功率元件，可實現更高的切換頻率，且導通和開關損耗極低，反向恢復(Qrr)特性也比Si FET出色，可滿足市場對於電源系統「輕薄短小」和「高功率」的需求，GaN因而變成電源設計新星。
