支援高頻/高電壓運作 GaN革新開關電源設計
GaN能兼顧優質表現與高效能，相較於過去使用的矽電晶體，GaN切換電源電晶體運作電壓較高且可高頻運作，因此效率表現更好、損耗更低。GaN裝置可透過矽上氮化鎵(GaN-On-Silicon)製程，融入現行矽製造作業。
在相同電流下，GaN裝置尺寸較小，GaN電晶體未來成本效益將趨近於矽電晶體，故對大型工業設備至小型手持裝置將更具吸引力。GaN首先將應用在高效能電源設計中，因此類設計需較高運作頻率，以及精準切換特質，不過長期而言，GaN高效能電源轉換將普及。
電源設計師已開始重新思考電路，希望電源系統能充分發揮GaN電晶體潛力，同時排除負面影響，在這些考量下，解答關鍵通常在於設計元件，例如GaN開關、矽開關驅動器、高速切換控制器、功率電感、變壓器及電容等。晶片製造商生產電源產品時，若能提供系統級解決方案與共同設計裝置，甚至在模組化封裝內整合多項晶片，即可為客戶大幅拓展設計可能性。
GaN裝置容許高頻率運作
多數常見電子設備使用開關電源(SMPS)，將交流電轉換為直流電，並將110∼120伏特(V)或220∼240V電壓降至12Ｖ、5Ｖ、3.3V或更低的系統元件所需電壓。這些功能在消費電子產品或資料中心相當普遍，不過SMPS也會用於直流對直流(DC-DC)轉換，或用於更高電壓，例如可再生能源逆變器、車載電子設備、工業設備或其他高功率系統。
圖1說明一般SMPS電力運作情況，輸出電壓大多為高電壓、低頻率交流電，經過整流為直流電，線路濾波器阻擋電源因回送至源極線路產生的高頻，SMPS核心為高頻開關，將DC訊號轉換為脈衝電壓波形，開關產出轉換為所需電壓後，過濾為低電壓系統所需的穩定輸出，控制器藉由輸出回授，供應脈衝寬度調變(PWM)訊號至電源開關驅動器，達到穩壓功能，而訊號脈衝寬度增減則隨負載需求變化。
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| 圖1 開關電源一般功能 |
傳統電源開關為矽金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，如今逐漸汰換為GaN場效應電晶體(FET)，依據系統需求，可選擇各種設計拓撲，也須要安排各種電源開關，如單FET升壓轉換器、多種雙FET設計，以及最高四FET全橋轉換器。由於開關及驅動器必須依據控制器指示運作，否則電源系統將會不穩，故形成極為敏感設計區塊；此外，調變電壓升降時間快速，再加上雜訊可能會進入回授迴路，都可能導致電源系統不穩。
所有連接至電網的系統，都須在電網與系統間設下隔離，確保下游設備安全，也禁止電源轉換高頻運作，以免干擾電網提供電力，也避免在源極電力線上產生雜訊。GaN裝置可容許較高頻率運作，又能滿足隔離及降低電磁干擾需求，由於頻率較高，也能縮小隔離變壓器及輸入濾波器尺寸。
GaN特性遠優於矽
對電源開關而言，GaN的優點遠大於矽，其電壓較高、損耗較低，開關耗能也較少，矽開關多年來已改善許多，但在同樣尺寸與電壓條件下，矽開關仍難達到GaN標準，雖然矽MOSFET成本仍明顯低於GaN，但兩者差距假以時日必然縮小。
GaN開關裝置適用於多種運作電壓，電源設計師可藉此縮小解決方案尺寸、以較高切換頻率運作，同時維持大額輸入/輸出電壓效能，應用時若希望電源解決方案體積愈小愈好，就很適合使用GaN裝置。
圖2說明GaN電晶體的基本架構。GaN位於矽基材上，不僅能運用矽製程數十年來優勢，也能獲得GaN的優點，例如較高帶間電壓。帶間能量是指物質從絕緣體變成導體所需電壓，半導體即因為帶間能源而自成一類，GaN提供的帶間能源為3.2eV，幾乎是矽的三倍，理論上帶間能量愈高，代表在高溫下表現較佳，在基材成為導體前，可維持較高熱能，這些特色可能改善GaN在車載、工業及其他高溫環境下表現。
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| 圖2 GaN FET增強模式的橫斷面圖 |
GaN具備眾多優點，也逐漸出現在各種電源設計中，過往GaN也曾用於LED與無線設計，讓人覺得這項技術已可用於電源中，但若要在電源FET內使用GaN，仍需眾多製程與裝置研發，也會拖累產品開發進度。
晶片供應商與系統設計師見到新式FET與矽FET差異後，也謹慎地逐步降低設計複雜度。傳統GaN裝置均為開啟或耗盡模式，而矽MOSFET屬常關型增強模式裝置，為直接取代矽MOSFET，GaNFET開關供應商必須重新設計產品，才能在增強模式中運作，或與另一開關串聯，才能提供常關型功能。
在重新設計時，以GaNFET取代矽MOSFET只是第一步，由於GaN電晶體頻率較高，故開關驅動訊號也必須更加精準，開關也對封裝、互連與外部電源的寄生阻抗格外敏感，矽基GaN內建驅動器迅速操作GaN開關，有助於設計SMPS，成熟矽製程亦有助於開發相當精準且高頻率可調諧驅動器。
GaN閘極驅動器搭配快速、精準的電源管理控制，讓GaN型SMPS設計大幅向前邁進，但閘極驅動器本身優化程度仍然有限，即便是驅動器與GaN開關的最短跡線，也會因設計不同造成延遲。
整合型模組有益系統設計
整合型模組有益系統設計
由於在驅動器與開關耦合時，被動元件配置及設計相當重要，未來晶片解決方案必須控制其中變異性，因為兩種裝置若以特質差異甚鉅的不同物質為基礎，短期內很難以平價方式整合在單一晶片中，不過單封裝模組(圖3)若整合FET、驅動器及支援開關的被動裝置，將大幅減少SMPS使用面積與元件數量，進而降低系統生產成本，同時提升GaN設計效能。
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| 圖3 GaN開關閘極驅動器整合模組 |
除縮小解決方案的尺寸，也要降低設計複雜度，驅動器開關模組讓晶片相互連結距離降至最低，也壓低可能扭曲脈衝輸出的延遲時間及寄生阻抗，模組若設計完善，可大幅降低多晶片設計寄生因素，差別甚至多達數倍。
支撐系統級解決方案另一重要因素為控制器–穩壓器，必須在GaN提供的較高頻率中運作，並即時因應輸出電壓變化，時間準確度也必須符合脈衝寬度要求，以降低空檔時間傳導損耗。所幸數位電源控制器能夠滿足這些要求，提供額外效能及輸入/輸出(I/O)功能，可用於系統其他區塊。
由於各項元件是依據矽頻率設計，因此在GaN設計中也需要磁學，必須持續向磁元件供應商提出需求，不過一切仍取決於市場，若GaN元件在市場上日益普及，規模也提高，供應商勢必會自客戶接到各種需求，希望生產符合GaN技術元件，在種種有利因素之下，業界就能在眾多電源應用中，充分運用GaN長處。
全球人口不斷增加、社會不斷進步，電力需求因而不斷提高，而環境議題又必須以增進能源效能，面對各種需求，創新技術若能改善供應、轉換與使用電力效率，就能對你我生活更加有益。
GaN降低電力轉換時損耗，發揮更大能源效益，面對GaN產生的挑戰，必須持續研發解決方案，減少高頻電力轉換產生的後遺症，這些解決方案與眾不同，將能簡化設計、節省空間、減少元件數量，同時壓低影響效能的訊號延遲與雜散干擾。
隨著具備這些優點的產品問世，SMPS開發人員能夠設計更高效能的系統，同時縮短上市所需時間，這些系統成功之後，能將GaN帶入新的應用範圍，涵蓋高功率工業領域及低功率大眾領域，有系統級解決方案模組及其他關鍵項目，GaN技術更能完全發揮電源效能潛力。
