為了突破矽材料的限制，業界一直在尋找新的材料。氮化鎵(GaN)就是其中最具潛力的新選項之一。GaN材料讓電力電子設備的開關速度大幅提高，能更有效率地為高壓應用提供電力，如圖1所示。
GaN功率元件為AC/DC電源轉換應用，比如5G通訊設備和伺服器的電源供應器，創造出同時縮小尺寸、提高功率輸出、改善散熱的可能性。這在過去是很難達成的設計目標。因此，GaN功率元件不斷地拓展了各種應用領域的極限，開始在汽車、工業、可再生能源等市場中，漸漸取代傳統矽基電力解決方案。
整合式GaN FET將成高功率應用首選
大規模資料中心、企業級伺服器、電信交換中心都會消耗龐大電力。在這些電力系統中，由於FET和閘極驅動器的製程技術不同，通常得各自封裝，也產生額外寄生電感。
除了占用更多空間，分開封裝的作法也會影響GaN元件的性能表現，例如拖慢開關速度、造成更多損耗等。因此，對於大功率應用而言，將閘極驅動器與FET整合在單一封裝中，是比較理想的選擇。例如德州儀器(TI)的LMG3425R030等GaN FET元件，就內建閘極驅動器，能在150V/ns轉換率時將寄生電容降至最低，且相較於分離式GaN FET，損耗可減少66%，亦可改善電磁干擾情況。內建閘極驅動器的TI GaN FET，如圖2所示。
在數據中心與伺服器農場中，德州儀器GaN FET的拓撲較簡單，例如圖騰柱(Totem Pole)功率因數校正(PFC)，可降低轉換損耗、簡化散熱設計、縮小散熱片，在尺寸相同的1U機架式伺服器中，相較於矽MOSFET，這些裝置的功率密度可加倍，並達到99%效能。若考量長期影響，如此的功率密度及效能格外重要，若伺服器農場安裝GaN裝置後，AC/DC效能每月提升3%，且每天轉換30kW電力，每個月即可節省27kW，相當於每月省下約2,000美元、每年24,000美元。
GaN FET若整合電流限制及過溫偵測，可避免直通電流或熱失控發生，系統介面訊號亦有助於自我監測。
可靠性是電力電子重要因素，相較於傳統串列及獨立GaN FET，高度整合的GaN裝置運用功能及保護機制，能有效提高可靠性，並優化高電壓供電表現。
若使用外部驅動器，寄生電感會造成切換損耗，在高GaN頻率時，也會產生振鈴及可靠性問題，共源電感大幅增加開通損耗，且在高轉換率時設計完善的過電流保護電路既困難又昂貴，但由於GaN並無本體二極體，因此能在切換節點減少振鈴，也排除反向恢復損耗。
內建保護功能讓GaN FET更可靠
GaN裝置結構與矽裝置大不相同，雖然切換速度更快，在表現及可靠性方面仍有特殊難題，且使用分離式GaN裝置時，也會出現設計不易簡化及物料清單成本等議題。
相較於矽MOSFET，GaN在第三象限運作「類二極體」，並藉由減少電壓降來縮小空滯時間，TI的LMG3425R030及LMG3425R050的理想二極體模式，可進一步降低這類元件運用在輸電應用時的損耗。
這些GaN裝置經過4,000萬小時的可靠性測試，包括加速及應用內硬切換測試，都是在最大功率、電壓、溫度環境下，進行高速切換條件測試。
GaN將為電力電子帶來新氣象
電源工程師不斷試圖提升功率密度及效能，但矽MOSFET及IGBT未來的進步空間已經很有限，使得業界必須開始將目光轉向碳化矽(SiC)跟氮化鎵這類寬能隙元件。碳化矽元件也具有優異的功率密度跟轉換效率，但其成本仍十分昂貴，使其應用空間受到限制。
本文所聚焦的GaN裝置，結合最佳超接合面FET之後，使功率密度得以加倍，並符合伺服器及電信應用的80 Plus Titanium超高供電效能標準，而且其成本遠比碳化矽更具競爭力。
GaN能為電力電子領域翻轉局面，但也需要完善流程及材料工程，包括高品質GaN晶體、優化介電薄膜，並在製造過程創造非常乾淨的介面，當然也需要精細的測試和封裝。
(本文作者任職於德州儀器)
