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。

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。