克服技術瓶頸提升GaN可靠性CGD搶攻新世代功率元件商機
- 賴品如／台北
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各種智慧功能與聯網儼然成為現代電子產品的標準配備，此趨勢在提升設備效率的同時也帶來高額功耗，從而產生大量碳排。在此態勢下，擁有高功率密度、高效率與小體積特色的GaN（氮化鎵），就被視為終端電子設備的最佳解決方案，不過甫商品化不久的GaN功率元件，在產品可靠性方面仍有成長空間，CGD （Cambridge GaN Devices）推出的ICeGaN系列產品，則透過先進設計解決此問題。
GaN近幾年成為科技產業焦點，CGD亞太區銷售副總裁陳雪蕙指出，相較於Si、SiC等功率元件，GaN的開關切換損耗更低，可實現的功率密度更高。因此可大幅縮小磁性元件體積、降低電源耗損，帶來更高供電效率。這些特色對手機、筆電、小型家電…等消費性電子產品具有高度吸引力，市場需求大量浮現。根據Yole預測，GaN 2027年市場規模將達20億美元，其中消費性功率、數據通訊/電信和汽車將是主要應用。在各類市場應用中，消費性領域的成長最快，2027年可望逼近10億美元，佔整體市場48%，事實上從2020年開始，此市場就展現出強大的成長力道，包括Power Integrations、Navitas和 GaN Systems等多家廠商都已導入至自家快速充電器中，CGD則可為不同領域市場提供品質絕佳的GaN元件。
CGD為是一家無晶圓廠無塵技術半導體公司，致力於開發一系列節能的GaN型功率裝置， 目標是實現更環保的電子裝置，兩位創辦人均來自英國劍橋大學，執行長Giorgia Longobardi博士為前劍橋大學工程系主任，在GaN領域擁有12年研發經驗，技術長Florin Udrea則是劍橋大學功率半導體教授，擁有超過150 項專利。
這兩位GaN領域重量級人士所研發的ICeGaN系列產品有兩大特色。首先是VGS可達20V，陳雪蕙指出，一般MOSFET可容忍略高於額定的電壓，GaN則不然，只要稍微超過就有可能損壞元件，影響產品可靠性，這也成為GaN目前仍有部分問題亟待解決的問題。
她進一步解釋，GaN的特色是開關切換速度更快，但其閾值電壓(VTH)僅有傳統Si MOSFET的一半，其最高耐壓僅有7V，如果仍採用過往的設計，在快速切換開關時很容易因為過壓，進而損壞元件。此外，由於閾值電壓較低，VGS需要負電壓關閉以避免誤導通，但較低的負電壓會增加動態導通電組，導致元件的效率及可靠性下降。
CGD於PCIM Europe期間所推出的第二代的 ICeGaN 650 V 氮化鎵 HEMT 系列產品，採用 CGD 的智慧閘極介面，幾乎消除一般 E-mode GaN 的各種弱點，大幅加強閘極電壓耐用性、提供更高的抗雜訊閾值，以及提升 dV/dt 抑制和 ESD 保護效果。
新型 650 V H2 ICeGaN 電晶體與前代裝置相同，驅動電壓範圍與Si MOSFET 相同，驅動線路也非常接近，無需使用效率不彰的複雜電路，並可兼容市面上普遍使用的Si MOSFET閘極驅動器。H2 ICeGaN HEMT 的 QG 比矽製零件低 10 倍，QOSS 則低 5 倍，因此 H2 ICeGaN HEMT 能夠在高切換頻率情況下大幅減少切換損耗，有助於縮減尺寸及重量。這實現了領先同類產品的效率及效能，在 SMPS 應用中比業界最佳的Si MOSFET 整整高出 2%。
確保設備運作更穩定可靠。ICeGaN 是業界最穩定耐用的 GaN 裝置；不僅解決了目前的技術發展瓶頸，也克服一般減緩採用新型技術的所有挑戰，同時也能讓GaN沿用傳統MOSFET的驅動設計，協助設備業者從MOSFET無痛轉移至GaN，快速搶佔寬能矽半導體的市場商機。
陳雪蕙最後表示，現在整個電力電子產業逐漸認知到，氮化鎵技術將在實現更高效率、高效能和更輕巧的永續電子解決方案過程中扮演關鍵角色，易用性與可靠性是 CGD 的 ICeGaN 技術的兩大優點。我們的設計將使用晶片氮化鎵 GaN 製造的智慧保護電路與 HEMT 進行整合，方能實現這兩大優點，以與 MOSFET 相同的方式來驅動裝置，無需使用特殊的柵極驅動器、複雜且有損耗的驅動電路、負電壓電源要求或額外的箝位零件，協助客戶在惡劣及具有挑戰性的應用環境中亦能使用。
