提高數位電源功率密度 GaN MOSFET應用受矚目

作者: 蘇宇庭
2014 年 12 月 23 日

氮化鎵(GaN)金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)漸露鋒芒。為提升數位電源系統單位功率密度(Power Density),包括德州儀器(TI)等電源晶片大廠已全力投入GaN MOSFET的應用效能研究。現階段,GaN MOSFET在功耗、導通電阻及電源轉換效率等方面,表現皆已可超越傳統MOSFET方案,但要大量商用仍須克服製程及成本等問題。



德州儀器半導體行銷現場應用經理曾生元指出,為提高數位電源系統的單位功率密度,許多大廠已積極投入GaN MOSFET的研究。



德州儀器半導體行銷現場應用經理曾生元表示,數位電源系統的效率都已推進到極致,如今業界所追求的是單位功率密度的提升。也就是在提供相同功率的前提下,如何縮小尺寸面積;或者是在相同尺寸面積之下,如何讓功率表現更好。


曾生元進一步指出,要提升數位電源系統功率密度的最大關鍵,在於提高脈衝寬度調變(PWM)的切換頻率。目前,市面上PWM的切換頻率幾乎在150kHz以下,普遍約介於50k~120kHz之間;而業界對於未來數位電源系統的期待,則是希望PWM的切換頻率能達到500kHz,甚至是更高的水準。


不過,要提高PWM切換頻率,首先須解決電磁干擾(EMI)問題,同時亦須改善周邊功率元件的效能,使其能輔佐PWM並與之搭配;而MOSFET的選用即是箇中關鍵。也因此,業界正積極投入研究GaN MOSFET的應用開發,期能藉此拉高PWM的切換頻率,以進一步提高數位電源系統功率密度的可能性。


事實上,矽製程的MOSFET發展已有30年之久,已開始邁入性能成長的停滯期。為滿足市場對於更高功率MOSFET的期待,產官學界已開始投入GaN功率元件開發。如今,GaN MOSFET在功耗、驅動電流、導通電阻、起始電壓、電源轉換效率等方面,都已被證實能超越傳統的MOSFET技術。


不過,曾生元指出,GaN MOSFET仍有它發展的局限性,主因在於其採用的是全新製程,還未大量商用化,目前也並未被市場大量採用。許多新的GaN MOSFET應用效能研究還處於先期嘗試階段,包括數位電源系統亦然;若真的將產品推到商業市場,也還會遇到成本過高的桎梏,恐將不利於本就因成本問題而無法快速拓展應用市場的數位電源發展。


然而,儘管如此,曾生元仍然認為,在數位電源系統中採用GaN MOSFET將是未來清晰可見的研究方向,因此包括德州儀器等電源晶片大廠,都早已投入研發資源積極探究其未來發展的可行性。

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