克服技术瓶颈提升GaN可靠性CGD抢攻新时代功率元件商机
- 赖品如／台北
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各种智能功能与联网俨然成为现代电子产品的标准配备，此趋势在提升设备效率的同时也带来高额功耗，从而产生大量碳排。在此态势下，拥有高功率密度、高效率与小体积特色的GaN（氮化镓），就被视为终端电子设备的最佳解决方案，不过甫商品化不久的GaN功率元件，在产品可靠性方面仍有成长空间，CGD （Cambridge GaN Devices）推出的ICeGaN系列产品，则透过先进设计解决此问题。
GaN近几年成为科技产业焦点，CGD亚太区销售副总裁陈雪蕙指出，相较于Si、SiC等功率元件，GaN的开关切换损耗更低，可实现的功率密度更高。因此可大幅缩小磁性元件体积、降低电源耗损，带来更高供电效率。这些特色对手机、笔记本电脑、小型家电…等消费性电子产品具有高度吸引力，市场需求大量浮现。根据Yole预测，GaN 2027年市场规模将达20亿美元，其中消费性功率、数据通讯/电信和汽车将是主要应用。在各类市场应用中，消费性领域的成长最快，2027年可望逼近10亿美元，占整体市场48%，事实上从2020年开始，此市场就展现出强大的成长力道，包括Power Integrations、Navitas和 GaN Systems等多家厂商都已导入至自家快速充电器中，CGD则可为不同领域市场提供品质绝佳的GaN元件。
CGD为是一家无晶圆厂无尘技术半导体公司，致力于开发一系列节能的GaN型功率装置， 目标是实现更环保的电子装置，两位创始人均来自英国剑桥大学，CEOGiorgia Longobardi博士为前剑桥大学工程系主任，在GaN领域拥有12年研发经验，技术长Florin Udrea则是剑桥大学功率半导体教授，拥有超过150 项专利。
这两位GaN领域重量级人士所研发的ICeGaN系列产品有两大特色。首先是VGS可达20V，陈雪蕙指出，一般MOSFET可容忍略高于额定的电压，GaN则不然，只要稍微超过就有可能损坏元件，影响产品可靠性，这也成为GaN目前仍有部分问题亟待解决的问题。
她进一步解释，GaN的特色是开关切换速度更快，但其阈值电压(VTH)仅有传统Si MOSFET的一半，其最高耐压仅有7V，如果仍采用过往的设计，在快速切换开关时很容易因为过压，进而损坏元件。此外，由于阈值电压较低，VGS需要负电压关闭以避免误导通，但较低的负电压会增加动态导通电组，导致元件的效率及可靠性下降。
CGD于PCIM Europe期间所推出的第二代的 ICeGaN 650 V 氮化镓 HEMT 系列产品，采用 CGD 的智能闸极界面，几乎消除一般 E-mode GaN 的各种弱点，大幅加强闸极电压耐用性、提供更高的抗杂讯阈值，以及提升 dV/dt 抑制和 ESD 保护效果。
新型 650 V H2 ICeGaN 晶体管与前代装置相同，驱动电压范围与Si MOSFET 相同，驱动线路也非常接近，无需使用效率不彰的复杂电路，并可兼容市面上普遍使用的Si MOSFET闸极驱动器。H2 ICeGaN HEMT 的 QG 比矽制零件低 10 倍，QOSS 则低 5 倍，因此 H2 ICeGaN HEMT 能够在高切换频率情况下大幅减少切换损耗，有助于缩减尺寸及重量。这实现了领先同类产品的效率及效能，在 SMPS 应用中比业界最佳的Si MOSFET 整整高出 2%。
确保设备运作更稳定可靠。ICeGaN 是业界最稳定耐用的 GaN 装置；不仅解决了目前的技术发展瓶颈，也克服一般减缓采用新型技术的所有挑战，同时也能让GaN沿用传统MOSFET的驱动设计，协助设备业者从MOSFET无痛转移至GaN，快速抢占宽能矽半导体的市场商机。
陈雪蕙最后表示，现在整个电力电子产业逐渐认知到，氮化镓技术将在实现更高效率、高效能和更轻巧的永续电子解决方案过程中扮演关键角色，易用性与可靠性是 CGD 的 ICeGaN 技术的两大优点。我们的设计将使用芯片氮化镓 GaN 制造的智能保护电路与 HEMT 进行整合，方能实现这两大优点，以与 MOSFET 相同的方式来驱动装置，无需使用特殊的栅极驱动器、复杂且有损耗的驱动电路、负电压电源要求或额外的箝位零件，协助客户在恶劣及具有挑战性的应用环境中亦能使用。
