電源轉換器技術著重在高功率密度及高轉換效率，可進一步縮小轉換器的重量與體積。目前電源技術拓撲架構發展已趨於成熟，不同功率皆有其適用之轉換器架構，若要更進一步提升效率，得著重在新式功率元件材料上的使用。
就一般而言，功率元件的材料仍以矽(Silicon)為主軸，為了符合上述需求，近年來寬能隙材料諸如氮化鎵(Gallium Nitride)、碳化矽(Silicon Carbide)應運而生且已被成功地商品化，相較於矽半導體在各個應用層面中逐漸突顯其性能上之優勢。
寬能隙材料與矽特性之比較
目前，市場上絕大部分的功率元件從20V到數kV都是以矽的技術為基礎，當矽的技術到達其極限，材料性質就會限制住功率半導體元件的效率提升空間，金氧半場效電晶體(MOSFET)是最常見的功率半導體元件，其導通電阻受限於崩潰電壓，也就是磊晶層的特性，導通電阻的公式如式(1)
(1)
簡化之後，就是「矽的極限」關係式
(2)
圖1表示在不同材料之間，崩潰電壓與單位面積導通電阻(RON*A)的關係，由圖1的曲線可以清楚得知，碳化矽與氮化鎵之寬能隙材料突破了矽，甚至於以矽為材料之超接面(Super Junction)製程的極限，而且碳化矽與氮化鎵距離其極限還有一段距離，代表碳化矽與氮化鎵未來在單位面積導通電阻與成本上，還有很大的進步空間。
寬能隙半導體材料之功率元件具有高電壓阻隔能力、高溫操作與高頻切換之特性，相當適合於高能效電源轉換器的應用。其高電場阻隔能力使得其只需要相對於矽較為薄的磊晶層，即可達到相同的耐壓能力。
換句話說，導通電阻的損失可以大為地降低。圖2為耐壓10kV之下各種半導體材料的晶片厚度之比較，可以清楚得知在相同耐壓之下，GaN與SiC的厚度只有Si的十分之一左右。
切換損失較低 增強模式GaN獲青睞
氮化鎵高電子移動率電晶體(GaN High Electron Mobility Transistor)主要分為兩種，一種為串接型空乏模式(Cascode Depletion Mode)如圖3所示，另外一種則為增強模式(Enhancement Mode)，如圖4。
雖然串接空乏型GaN的驅動較為簡單，但是增強模式GaN較為市場所採用。主要是因為串接空乏型GaN所串接的低壓MOSFET，會有額外的雜散電容，其所造成的切換損失讓整體FoM(Figure of Merit)降低，以及必需要有Slew Rate的控制，相對地，增強模式GaN則可以直接對於閘極驅動。
兩個晶片串接於一個封裝中的可靠度考量，額外串接的LV MOSFET會影響整體在低壓應用上的效能，對於高頻應用會受限於LV MOSFET的特性。
在相同導通電阻規格之下，雖然超接面MOSFET的雜散電容與QOSS比GaN HEMT大上十倍以上，但是EOSS在高壓應用時兩者間差異相當接近，公式(3)表示EOSS為COSS從0V積分到VDC，從50V到400V有效電荷是相當低的。
雜散電容隨著VDS電壓越高而逐漸降低如公式(4)所顯示，EOSS主導著硬切換(Hard Switching)拓撲的切換損失，所以超接面MOSFET在硬切換應用上，效率並不會與GaN HEMT有顯著的差異，如圖5(b)所示。
(3)
(4)
超接面MOSFET的輸出電容之非線性特性如圖5(a)所示，可以最佳化其EOSS的表現。
另外，在軟切換(Soft switching)拓樸的應用上，GaN HEMT的切換損失與超接面MOSFET及SiC MOSFET做比較。如圖6所示，GaN HEMT不但有最佳的表現，而且在未來的改善空間仍有很大的潛力。
傳統的PFC由於橋式整流器的導通損失無可避免，對於效率的提升著實是一大障礙，若是要達到高效率的要求，例如鈦金牌等級的規格，就必須仰賴無橋式(Bridgeless)PFC來達到，圖騰柱(Totem Pole)PFC是無橋式PFC的其中一種變形，圖7(a)為半橋圖騰柱PFC，當以MOSFET來取代D1、D2，就成為全橋圖騰柱PFC，如圖7(b)所示。
由於Q1及Q2在Turn On時是做硬切換，於Turn Off的時候會流經體二極體，所以需要GaN HEMT，而非超接面MOSFET，因為其具有較大的QRR與IRRM。至於Q3與Q4只需要低RDS(ON)的MOSFET，因為其只操作在低頻的輸入交流之零交越處，例如圖8所示。
Trench技術助力 碳化矽MOSFET效能更穩定
碳化矽MOSFET雖然已被商品化並且擁有優異的性能表現，所以在太陽能、電動車等講求效率與功率密度的應用上有相當助益，但是在可靠度上面依然讓人有所顧慮。
例如，為了達到通道完全導通的狀態，必須外加較高的VGS，閘極氧化層在高電場下之故障率的潛在風險需要被特別關注，有鑑於此，電源元件供應商提出Trench的概念來同時克服效能與穩定性的兩難。
CoolSiC MOSFET如圖9所示，使用Trench結構，連接著Trench的P型區是非對稱的，Trench的左邊包含了MOSFET的通道，具有高反轉通道電子移動率，以大幅提高通道導通性。
P型區主要有三功能，首先是連接P-body到源極以降低導通阻抗，其次有效的P-emitter以快速切換體二極體，最後則是保護Trench邊角之閘氧化極以避免被汲極感應的高電場給擊穿。
此外，CoolSiC MOSFET擁有較佳的電容比例，小的CGD與相當大的CGS，使其具有良好的切換控制，以及相對低的動態損失，特別是可以抑制雜散效應所造成的誤導通。
以在最嚴苛狀況下之電場2D模擬結果為例，在最低VGS=-10V時之最大ＶDSS=1200V，結果顯示閘氧化層的電場可以被限制在某個值以下，而不會對可靠度有所影響。
典型的CoolSiC MOSFET在VGS=+15V，ID=20A，Ｔ＝25℃，其導通電阻為45mΩ，臨界導通電壓(VGSTH)為4.5V，比Planar SiC MOSFET高上許多，因此可以像IGBT一樣地操作。
在可靠度方面，長時間閘極偏壓測試被用來驗證閘氧化層的故障率。這裡以1000顆元件分為兩組來做實驗，在溫度150℃之下，進行300天的閘極偏壓測試，然後以每100天逐步增加5V。
Group 1(G1)如圖10(1)所示，在25V之下連續100天測試之後，故障率是0，一直到增加至35V在300天之後，故障率是2.9%，(2)的Group 2則在40V時達到6.5%故障率。
這些故障率統計數據符合線性的E-Model，轉換為20年的生命週期來看，預測的故障率為0.2ppm，這個數據遠低於一般工業規範的標準要求100ppm。
寬能隙材料成長潛力佳
本文介紹寬能隙材料元件之特性與比較，其中，碳化矽在材料品質的成熟度略優於氮化鎵，然而未來市場接受度仍取決於各自技術之突破，例如元件散熱、驅動複雜度與導通阻抗等各方面。針對高能效產品的應用，可預見寬能隙材料將逐漸取代矽，成為不可或缺的材料之一。
