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【GaN 功率元件強勢降臨】

被稱為第三代半導體材料的「氮化鎵」(GaN) 新興工藝技術，用於功率因數校正 (PFC)、軟式切換 DC-DC 等電源系統設計，以及電源轉接器、太陽能逆變器、伺服器和通訊電源等各種終端應用，可實現矽元件難以達到的高電源轉換效率和功率密度水準，為交換式電源供應器和其他在能效及功率密度至關重要的應用，帶來性能的飛躍。GaN 具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，能負載的工作溫度也更高。

GaN 提供高電子遷移率，意味著切換過程的反向恢復時間可忽略不計，故擁有低損耗、高切換頻率優點。前者加上寬頻元件的高結溫特性，可降低散熱量；後者則可減少濾波器和無源元件的使用 (如：變壓器、電容、電感等)，進而減少系統尺寸和重量、提升功率密度，有助設計人員實現緊湊的高能效電源方案。同為寬頻元件，GaN 比 SiC 成本更低、更易於商業化，具備廣泛採用的潛力，包括：工業、電腦、通訊、LED照明及網路領域的各種高壓應用。

採用單排直插 TO-220 封裝，更易於根據客戶現有製板能力進行整合。基於同一導通電阻等級，與高壓矽 MOSFET 相較，第一代 600 V 矽基 GaN (GaN-on-Si) 元件即可提供 4 倍以上的閘極電荷、更優的輸出電荷、同級輸出電容和 20 倍以上的反向恢復電荷，未來技術水準將持續演進。Cascode 相當於由 GaN HEMT 和低壓 MOSFET 組成：GaN HEMT 可承受高電壓，過電壓能力達到 750 V，並提供低導通電阻；低壓 MOSFET 則提供低閘極驅動和低反向恢復。

HEMT 是高電子遷移率電晶體的英文縮寫，通過二維電子氣在橫向傳導電流下進行傳導。使用 600 V GaN Cascode 的三大好處是：
★具有卓越的自體二極體特性：串接建立在低壓矽技術上，且反向恢復特別低；
★容易驅動：設計人員可使用像普通 MOSFET 一樣的傳統閘極驅動器，採用電壓驅動，且驅動由低壓矽 MOSFET 的閾值電壓和閘極電荷決定；
★高可靠性：透過長期應用級測試，且符合 JEDEC 行業標準——零個擊穿、最終的漏電流和導通電阻皆低於規格門檻。

在連續導電模式 (CCM) 升壓 PFC 拓墣中，在 200 KHz 和 120 Vac 輸入的條件下，Cascode GaN 較超結合Si (SJ Si) 提升近 1% 的效率；隨著頻率升高，GaN 的優勢將更明顯。採用 GaN還可實現「圖騰柱」(Totem Pole) 電路，較傳統 CCM 升壓 PFC 提供更高能效。高能效的電源轉換有利於軟切換電路拓墣結構回收能量，如：相移全橋、半橋或全橋 LLC、同步升壓等。受惠技術發展和市場成長，有望降低 GaN 的採用成本。

延伸閱讀：
《安森美半導體推進更快、更智慧和更高能效的GaN電晶體》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2016/0428/31784.html

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圖檔取材：pixabay.com

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