隨著科技演進，如何提升能源使用效率是業界共同的挑戰。其中，無論是在消費電子、工業自動化或是雲端運算帶來的伺服器，各個領域都在追求更高的功率密度，以達到逐漸提升的電力要求。
氮化鎵(GaN)功率元件能夠使電子傳導更有效率，也能縮小元件體積，因此未來全球GaN功率元件市場將持續成長(圖1)。儘管目前功率元件依然以矽MOSFET為主流，但已有許多廠商陸續推出氮化鎵材料元件，以做到更高的切換頻率與更小晶片尺寸。
資料來源：Coherent Market Insights
電動車/伺服器率先導入GaN元件
日前於2018年慕尼黑電子展(Electronica Trade Show)上，氮化鎵半導體技術廠商Exagan發布了GaN高功率轉換解決方案。該公司也指出，伺服器與電動車將成為率先導入的兩大應用領域。
Exagan致力於氮化鎵半導體技術創新，在2018年慕尼黑電子展會上，該公司更展示了其針對千瓦級應用的G-FET和G-DRIVE兩大產品線，提供高效能、極低耗損的電能轉換，且具有增強功率的快速開關元件，適用於汽車與伺服器應用。此二最新發布的新型GaN產品解決方案，展示了Exagan的200-mm CMOS製程技術，同時也顯示出Exagan對GaN技術的充分掌握。
根據研究單位IDC的數據顯示，2018年第一季全球伺服器出貨量，相較於2017年同期成長了20.7%至270萬台。快速成長的伺服器市場電源，也將成為首批導入Exagan GaN解決方案的電源應用。
汽車電子也是另一項GaN電源轉換解決方案的重要應用。在2018年慕尼黑電子展會上，Exagan總裁兼首席執行官Frédéric Dupont表示，GaN小巧輕便與具成本效益的特性，使得該解決方案相當適合應用於電動車之中。
該公司的G-FET和G-DRIVE產品線將提供市場更為全面的GaN解決方案組合，Dupont進一步指出，該公司亦於近期在法國與台灣設立了應用中心，致力於與客戶能有更緊密的合作，進而滿足新興的電源轉換需求。
英飛凌GaN HEMT/驅動器進入量產
在2018年慕尼黑電子展會上，英飛凌科技(Infineon Technologies)也發布了氮化鎵解決方案–CoolGaN 600V增強型HEMT和氮化鎵驅動IC EiceDRIVER。
新款CoolGaN 600V增強型HEMT採用可靠的常閉概念，已優化實現快速開通和關斷。它們可在開關式電源(SMPS)中實現高能源效率和高功率密度，其優值係數(FOM)在目前市面上所有600V元件中首屈一指。
CoolGaN擁有高可靠性，品管過程不僅對元件本身，還針對其在應用環境中的性能進行全面測試，以確保CoolGaN開關滿足品質標準。
另一方面，EiceDRIVER驅動IC則是CoolGaN增強型HEMT的完美搭檔，專為確保CoolGaN開關實現強固且高效的運作所設計，同時大幅減少工程師研發工作量，加快產品上市時程。
功率密度要求持續提升 GaN新品實現千瓦應用
為滿足千瓦以上應用需求，德州儀器(TI)亦於日前推出GaN FET產品系列。德州儀器類比IC應用經理蕭進皇(圖2)表示，GaN元件能操作的切換頻率相對於MOSFET更高，在提升切換頻率後，包含電容等整體晶片體積都將縮小；相比之下，GaN元件設計重量只有MOSFET元件的六分之一。如此一來，不但能達成節省能源、降低成本，在晶片體積縮小之後，亦能擴大放置其他元件的空間。
為因應此趨勢，德州儀器日前推出新型600V GaN、50mΩ和70mΩ功率級產品組合，能支援高達10kW應用。與應用於AC-DC電源供應器、機器人、可再生能源、電網基礎設施、通訊和個人電子的場效應電晶體(FETs)相比，該產品系列能協助工程師打造更小、更高效且更高性能的設計。
蕭進皇進一步說明，目前MOSFET元件皆需要再外掛驅動控制，然而該產品將驅動控制納入同一個封裝之中，如此一來便能降低電子電路設計難度，縮短設計者的開發時間。
在未來，持續提升功率密度將是電源設計的主流趨勢。另一方面，將主動和被動零組件整合於電力系統之中，也能更可靠地實現縮小尺寸的目標。GaN元件能夠應用在個人消費電子、工業馬達驅動、電網基礎設施等不同功率等級的應用之中，功率應用範圍從瓦橫跨到千瓦等級。
德州儀器的GaN FET產品系列擁有整合獨特的功能與保護特性，不僅簡化設計，同時實現更高的系統可靠度與最佳化高壓電源供應的性能，進一步為傳統串接(Cascade)和獨立(Stand-Alone)的GaN FET提供了智慧替代解決方案。透過整合的<100ns電流限制和過熱偵測(Overtemperature Detection)功能，此裝置可防止意外的直通事件(Shoot-Through)與熱失控 (Thermal Runaway)發生，且系統介面訊號提供了自我監測的能力。
然而，由於GaN元件相對成本依然較高，因此蕭進皇進一步指出，在短時間內該公司的GaN相關產品會以滿足高效能的需求為主要目標市場；低成本的設計便不是最適合GaN元件的應用範疇。
GaN助力 磁共振充電功率/距離再提升
GaN元件不僅是在高功率應用領域能有所發揮，更能在無線充電領域大顯身手。由於GaN功率元件具備高開關速度、切換損失等性能優勢，持續為電力電子應用打開更多可能性。其中，基於氮化鎵技術的磁共振(Magnetic Resonance, MR)無線充電，將能使得50W以上無線充電功能更快實現。
交通大學電機工程學系系主任陳科宏(圖3)表示，由於氮化鎵功率元件能夠達到非常快的開關速度，因此也能近一步縮小零組件尺寸與整體體積。氮化鎵材料在中功率至高功率的電源相關應用上皆有很好的效果，在未來10年，氮化鎵功率元件的興起將改變消費者的電子產品使用行為，也將影響相關供應鏈的廠商生態。
陳科宏表示，若無線充電功率要提升至50W以上，基於GaN的磁共振便是目前最佳的解決方案。由AirFuel主導的磁共振無線充電技術，相對於磁感應技術能夠提供更高功率電力，並且能夠同時為多台設備供電。儘管目前依然少見導入磁共振無線充電技術的商用產品，然而該技術依然持續有所進展。
基於GaN的共振式無線充電傳輸系統發射端能夠一次發出70W電力，已能夠滿足筆記型電腦的充電需求；而手機大約能夠接收10W~15W電力，因此，最遠傳輸距離可達30公分，若在5公分距離之內則可以達到快速充電標準。
陳科宏進一步說明，未來基於GaN的共振式無線充電傳輸系統也將會持續提升充電效率、拉長充電距離，並且擴充應用範圍；更將持續以提升方便性以及縮小元件體積為主要的未來演進方向。
另一方面，GaN功率元件不只能使用在共振式無線充電設備，隨著氮化鎵的應用研究增加，成本也正在逐漸壓低，預計在2020年就能看到大量產品開始使用氮化鎵材料。
