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大量導入消費性應用 GaN喜迎高度成長契機

半導體完全依靠電來驅動,隨著應用的不斷擴展,元件複雜度與功能持續提升,電力電子要求強化系統能源效率、縮小體積等。然而,目前矽(Si)材料已逐漸接近性能極限,難以滿足新興應用、產品越來越高效的電力需求。氮化鎵(GaN)具有高開關速度、低損耗、小體積等優點,可以有效提升系統效率,並解決元件散熱問題。 近年來,GaN已開始加速導入至各應用市場當中,市場普及率亦逐漸提升。包括伺服器電源、電動車(EV)以及消費性電子產品的快速充電將是驅動GaN高度成長的關鍵市場。因此更多廠商看好GaN的產業潛力,也將加速技術的改善,包括更高效率、低成本的架構可以在整體競爭的態勢底下,吸引更多應用導入,帶給消費者更多、更好的產品。 GaN正進入消費性應用市場 雲端資料中心近年業務不斷成長,伺服器用電負擔高,希望能有效提升電源轉換效率,像是Google、亞馬遜(Amazon)、微軟(Microsoft)等系統業者,過往都是採用12V的電源架構,如今為了要提升電源使用效率,皆紛紛轉往48V電源設計架構,此時具備高開關速度、低損耗特性的GaN,便成為首要選擇。Transphorm亞洲區銷售副總裁Kenny Yim指出,汽車業也計畫導入48V電源供應系統,GaN元件要導入汽車產業,必須先通過AEC-Q101的汽車電子零組件可靠度驗證。 產業研究機構Yole Développementt(Yole)表示,與矽元件相較GaN是新興的材料,商用化的十多年來,是由高階高性能的應用推動,可提供高頻開關、低導通電阻和較小封裝尺寸,但在2019年,GaN已順利打入消費性應用領域,中國手機廠Oppo宣布在其新Reno Ace旗艦手機搭配的65W快充充電器中採用GaN HEMT元件。這是GaN功率元件首次進入智慧手機市場,而且有可能真正改變GaN產業發展。 而在車用市場,不僅是Transphorm,EPC也獲得AEC認證,而GaN Systems已獲得BMW i Ventures投資,預期在2020年獲得認證。Yole認為,GaN也可望打入工業和電信供電應用領域,包括資料通訊、基地台、UPS和工業雷射雷達應用。Yole預測,受消費型快充應用的驅動,GaN功率元件從2018~2024年,年複合成長率(CAGR)將高達85%,2024年產業規模將達到3.5億美元。 創新架構實現大電流直接驅動 GaN逐步顯現產業應用商機,吸引更多廠商投入,從製程生產的角度來看,Transphorm台灣區總經理王珈雯提到,目前GaN晶圓製造分為三個陣營,台積電、Panasonic與Transphorm,許多沒有晶圓廠的廠商都是委託台積電代工,再找封裝或模組夥伴合作。而Panasonic是與英飛凌(Infineon)合作生產GaN晶圓;Tranphorm則是唯一一家從晶圓製造、封裝、模組都自行完成的廠商,可以充分掌握元件電路設計特性,目前使用6吋晶圓,8吋晶圓預計2020年底完成驗證,2021年正式投片。 從技術架構來看,Transphorm 採用的是創新的Cascade架構(圖1),Yim解釋,該公司的架構是在氮化鋁鎵(AlGaN)層上又加了一個介電質(Dielectric);另一種e-mode架構則是在氮化鋁鎵層上加上了P-Gate,最主要的差異(圖2)在於e-Mode GaN需要配合驅動晶片,而該公司的Cascade架構則不需要驅動晶片,可以直接驅動,驅動電流也更大。 圖1 GaN元件Cascade與e-mode架構差異        圖2 GaN元件Cascade與e-mode架構各項技術優劣     目前,杭州中恆電氣(HZZH)已開發出一種基於GaN的高效功率模組,3kW ZHR483KS採用Transphorm的GaN元件,效率達到98%。該模組的輸入電壓範圍為85伏至264伏,而其輸出電壓範圍為42伏至58伏。Transphorm的TPH3205WS-GaN元件用於交錯無橋圖騰柱(Totem Pole)PFC,降低了功率模組的開關損耗和驅動損耗,因此ZHR483KS的性能優於以前使用Super Junction MOSFET的模組。 Yim說明,Transphorm在開發每一代GaN平台時都考慮了四個關鍵因素:可靠性、可驅動性、可設計性和可重複性。在連續導通模式(CCM)升壓PFC拓撲中,在200KHz和120Vac輸入的條件下,該公司Cascade GaN較超接面Si提升近1%的效率,隨著頻率的升高,GaN的優勢更為明顯。
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