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20211014_DForum智慧車與車聯網論壇

GaN改變電源轉換器遊戲規則

在電源轉換器領域,矽半導體的技術限制長期無法突破,所幸氮化鎵(GaN)為代表的寬能隙元件正在加速發展,提供更快速的開關速度、效率更高、尺寸更小、成本更低的新一代元件,儼然為產業開啟一盞明燈。究竟GaN正在如何改變這個產業的遊戲規則?

國立台灣大學電機工程學系副教授陳景然、國立宜蘭大學電機工程學系副教授劉宇晨在日前舉行的D Webinar 2021新興科技論壇中,說明「GaN於電源設計的最新應用與優勢」。陳景然表示,轉換器開關在導通及關斷之間,會有開關損耗(switching loss)及傳導損耗(conduction loss),這就是所謂的不理想效應;所幸,寬能隙元件的出現,讓電源轉換器有了全新的設計架構,可以大幅提升轉換效率。

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國立台灣大學電機工程學系副教授陳景然。陳景然提供

國立宜蘭大學電機工程學系副教授劉宇晨。劉宇晨提供

陳景然舉例說明:目前業界做出的AC轉DC轉換器,轉換效率為96%,功率密度為每立方吋30瓦特,但下一代的轉換器,目標可達到每立方吋200瓦特,相當於提升7~10倍,效率可以維持96%甚至更高。之所以能有如此長足的進步,就是因為採用GaN元件,同時將切換頻率從100KHz拉高到1MHz,GaN可以說是改變電源轉換器遊戲規則的元件。

以市場應用的角度來看,目前最常看到的是手機充電器等消費性應用,主要是手機有快速充電的需求、且希望能夠做得很輕薄,因此開始導入GaN元件;下一個受到期待的應用則是在汽車市場,預計2025年可能邁向規模化,因為汽車對重量及效率的要求都很高,有機會帶動GaN的市場規模,從2018年的900萬美元成長到2025年的7億美元;下一階段則會朝向工業用應用發展。

劉宇晨根據現有的研究文獻,分享目前GaN最新的設計應用趨勢。目前已有不少研究團隊投入雙向電源轉換器的高效居家儲能系統、脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation;PWM) 轉換器、高功率密度轉換器應用的磁性元件設計、高效能太陽光變頻器(PV inverters)、無刷直流馬達(Brushless DC Motor)驅動、無人機太陽光充電器系統、奈米衛星電源系統等產品,其中很多都需要高頻、高轉換效率、高溫差等要求,GaN正好能夠派上用場。

劉宇晨坦言,儘管寬能隙元件的產品愈來愈多,但目前主要在頻率300~400KHz的應用,尚未真正發揮其優勢,畢竟還有很多替代產品可以達到一樣規格的需求;如果能夠掌握GaN的特性,不僅是從元件層次思考,更能從系統層面進行整體優化,不管是電路布局、散熱方案、驅動器、被動元件、磁性元件、電磁干擾(EMI)等技術都能搭配,同時在轉換效率、電源密度、成本之間取得平衡,未來更能讓這種新的元件發揮最佳優勢,展現出全新風貌。


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