#寬能隙半導體WBG #碳化矽SiC #氮化鎵GaN #氧化鎵Ga2O3 #功率器件 #智慧功率模組IPM #5G通訊

【SiCＸGaN，開啟功率新時代】

被視為「戰略物資」的第三代半導體——以碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 為首的二元 III-V 族「寬能隙」(Wide Band Gap, WBG) 化合物半導體，原就挾著耐高溫、耐高壓、切換快、效率高 (耗損低) 等優異物理特性而備受關注，近來更因被中國「十四五計畫」點名列入重點扶植對象而再掀熱議；特斯拉 (Tesla) Model 3 採用 SiC 功率器件及小米科技發佈 GaN 手機充電器，更將之推向高潮。

碳化矽約有四成在車用 (含汽車電子與電動車週邊)，目前業界於電動車較積極導入碳化矽的主要裝置／部件包括主驅逆變器 (inverter) 與車載／車外充電器，儘管 SiC-SBD (蕭特基二極體) 的市場因國際貿易摩擦而放緩，但由於能源、汽車和工業需求維持增長，預計市場將繼續擴大；至於氮化鎵，「製程介面」(基板材料) 是其應用的最大關鍵，分為：碳化矽基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 和矽基氮化鎵 (GaN-on-Si) 兩種。

延伸閱讀：
《「寬能隙」半導體的現在與未來》
http://www.compotechasia.com/a/feature/2020/1112/46364.html

#工研院產科國際所 #科銳Cree #穩懋 #環宇 #嘉晶 #OMMIC #天岳先進材料科技 #三安光電 #華潤微電子 #江蘇能華微電子 #海威華芯 #英諾賽科Innoscience #Transphorm #信越化學Shin-Etsu

#汽車電子 #功率元件 #碳化矽SiC #蕭特基二極體SBD #智慧功率模組IPM

【話說車載3：寬能隙半導體入主高功率應用】

動力系統是電動車／智能車主命脈。絕緣柵雙極電晶體 (IGBT)、高電壓閘極驅動器、超接面整流器、高電壓金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET)、高電壓 DC-DC，以及碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等新一代寬能隙 (WBG) 功率技術深深牽動著電池續航力與安全防護。

當電子從「價帶」(valence band，指絕對零度中電子最高能量的區域) 移動到「傳導帶」(conduction band，電子經由外在電場加速形成電流) 並用於電流時需要能量，寬能隙的能量遠高於矽——相較於矽的 1.1eV (電子伏特)，SiC 需要 3.2 eV；意味著在相同尺寸下，這些額外能量可帶來更高的電壓擊穿性能，在失效前可承受更高的溫度，蕭特基二極體 (SBD)、高功率 MOSFET 是主要市場。

為提高能效，亦促成涵蓋驅動電路和控制單元，以定制集成電路執行供電欠壓、過溫和短路等自我保護功能的智慧功率模組 (IPM) 興起，以適應基本結構或設計變化，並提升系統可靠性。此外，先進的基板和封裝，則是高能效、散熱性、強固性等關鍵因素；例如，貼片式「電晶體外殼無引腳封裝」(Transistor Outline Leadless, TOLL；或簡稱為 TO-Lead-Less) 因散熱表現較佳，可藉此提高電流密度，特別適合動力轉向、無刷直流驅動、電池管理、電池安全開關等高功率應用。

延伸閱讀：
《適合汽車應用的技術解決方案》
https://www.avnet.com/…/transform-your-thinkin…/automotive/…

#電源設計 #氮化鎵GaN #寬能隙半導體 #可編程邏輯閘陣列FPGA #功率因數校正PFC

【GaN 是如何提升電力效率和密度的？】

如何提高電力效率和密度的解決辦法是目前業界的當務之急之一。效率的提升不僅有利於節省電力和冷卻等主要運作成本，還能幫助營運商增加機架密度和可用的運算空間，並以更具成本效益的方式滿足日益增長的需求。氮化鎵 (GaN) 寬能隙裝置的出現成就了新一代的功率轉換設計；這些設計是以前仰賴矽金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET) 所不可能實現的。這些設計使系統能達到前所未有的高功率密度和效率。

基於 GaN 的解決方案可以從交流電源到各個負載點 (POL) 被含納至整個資料中心的電源供應當中。GaN 還實現了諸如高壓直流分配系統的新架構。電力公司需要透過功率因數校正 (PFC) 階段來將電網效率進行最佳化。PFC 的功能如同升壓轉換器，其通常提供 380V 的直流輸出電壓。該電壓需要進一步被降低，以便為系統提供直流匯流排電源。各種拓撲結構在這一階段被採用，但「電感—電感—電容器」(LLC) 和相移全橋通常用於產生 12V 或 48V 的匯流排電壓。

該匯流排電壓通過整個系統佈線，並進行多個轉換步驟，為處理器、可編程邏輯閘陣列 (FPGA)、記憶體和儲存系統之類的各種 POL 供電。基於 GaN 的解決方案從交流電到處理器根本性地改變了整個電力系統的架構和密度。

★PFC：透過圖騰柱拓撲的啟用，像是整合式的 GaN 裝置能將有功功率開關和濾波電感器的數量減少 50%。相較於今天鈦級電源 96% 的效率，開關頻率——連續導通模式 (CCM) 或臨界導電模式 (CRM) 操作，在將整體效率提高到 99% 以上的同時，能顯著減小磁性材料的尺寸。

★LLC：DC/DC 階段利用 GaN 優越的開關特性將諧振轉換器推送到 1 MHz 以上。高頻在提高功率密度和效率的同時，降低了磁性。較小的形狀係數使得新興的高壓配電系統能夠在 380V 至 48V 轉換器的資料中心內得以被使用。

★POL DC/DC：GaN 對這些轉換器有著重大影響。首先，它可從 48V 起進行單步轉換，直接為處理器、記憶體和其他負載供電，在版上配置減少 75% 的同時，從而將在珍貴的印刷電路板 (PCB) 基板面上的零組件數量減少達 50%。其次，使用半橋電流雙拓撲結構使設計人員能夠輕鬆地堆疊功率級，以滿足不同的負載需求，並與負載緊密配合，實現最佳的瞬態效能。

如今，GaN 已不再被視為是一種未來技術。GaN 已開始幫助設計人員實現過去曾遙不可及的目標：設計出更小、開關速度更快、散熱效能更佳的創新電源系統。

延伸閱讀：
《透過 GaN 重新計算密度》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0714/36021.html
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