GaN改变电源转换器游戏规则

在电源转换器领域，矽半导体的技术限制长期无法突破，所幸氮化镓(GaN)为代表的宽能隙元件正在加速发展，提供更快速的开关速度、效率更高、尺寸更小、成本更低的新一代元件，俨然为产业开启一盏明灯。究竟GaN正在如何改变这个产业的游戏规则？

台湾大学电机工程学系副教授陈景然、国立宜兰大学电机工程学系副教授刘宇晨在日前举行的D Webinar 2021新兴科技论坛中，说明「GaN于电源设计的最新应用与优势」。陈景然表示，转换器开关在导通及关断之间，会有开关损耗(switching loss)及传导损耗(conduction loss)，这就是所谓的不理想效应；所幸，宽能隙元件的出现，让电源转换器有了全新的设计架构，可以大幅提升转换效率。

陈景然举例说明：目前业界做出的AC转DC转换器，转换效率为96%，功率密度为每立方寸30瓦特，但下一代的转换器，目标可达到每立方寸200瓦特，相当于提升7~10倍，效率可以维持96%甚至更高。之所以能有如此长足的进步，就是因为采用GaN元件，同时将切换频率从100KHz拉高到1MHz，GaN可以说是改变电源转换器游戏规则的元件。

以市场应用的角度来看，目前最常看到的是手机充电器等消费性应用，主要是手机有快速充电的需求、且希望能够做得很轻薄，因此开始导入GaN元件；下一个受到期待的应用则是在汽车市场，预计2025年可能迈向规模化，因为汽车对重量及效率的要求都很高，有机会带动GaN的市场规模，从2018年的900万美元成长到2025年的7亿美元；下一阶段则会朝向工业用应用发展。

刘宇晨根据现有的研究文献，分享目前GaN最新的设计应用趋势。目前已有不少研究团队投入双向电源转换器的高效居家储能系统、脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation；PWM) 转换器、高功率密度转换器应用的磁性元件设计、高效能太阳光变频器(PV inverters)、无刷直流马达(Brushless DC Motor)驱动、无人机太阳光充电器系统、纳米卫星电源系统等产品，其中很多都需要高频、高转换效率、高温差等要求，GaN正好能够派上用场。

刘宇晨坦言，尽管宽能隙元件的产品愈来愈多，但目前主要在频率300~400KHz的应用，尚未真正发挥其优势，毕竟还有很多替代产品可以达到一样规格的需求；如果能够掌握GaN的特性，不仅是从元件层次思考，更能从系统层面进行整体优化，不管是电路布局、散热方案、驱动器、被动元件、磁性元件、电磁干扰(EMI)等技术都能搭配，同时在转换效率、电源密度、成本之间取得平衡，未来更能让这种新的元件发挥最佳优势，展现出全新风貌。