什麼是使用GaN(氮化鎵)的AC變壓器？

這是一個介紹搭載被稱為次世代半導體的GaN(氮化鎵)IC的AC變壓器與開關電源的頁面。本產品採用了由UNIFIVE開發的USB-PD變壓器。

次世代半導體、什麼是搭載GaN的AC變壓器

什麼是GaN？

　最近在大型家電賣場常見到搭載GaN PD的USB AC變壓器，這裡的「GaN」是指氮化鎵，是在電力電子領域帶來革新變化的焦點次世代材料。數十年來，以矽為基礎的MOSFET（金屬氧化物半導體場效電晶體）一直在能源轉換為電力方面扮演著重要角色，成為現代生活中不可或缺的技術。然而，這種一般常見的矽MOSFET在性能提升與能源效率方面存在理論上的極限，已逐漸接近現今科技所能達到的極限。

　此外，近年來對於電力密度與能源效率的需求日益提高，先進國家也開始導入各種法規以遏止環境污染，在這樣重視環境的潮流下，矽這種材料包含了一些難以符合這些需求的成分。與之相比，氮化鎵是一種能夠應對電力系統效率、性能、電力密度提升需求的優秀材料，逐漸被視為取代矽的新世代電力切換技術的核心。

那麼，什麼是氮化鎵？

　氮化鎵在自然界中並非以元素形式存在。一般是在從鋁土礦精煉鋁或於處理閃鋅礦製造鋅的過程中作為副產物取得，因此其在萃取與純化過程中的二氧化碳排放量極低。全球每年生產超過300噸的鎵，估計全球儲量超過100萬噸。由於是加工中的副產物，其價格約為每公斤300美元，相較於每公斤6萬美元的黃金，僅為其1/200左右。

　除了對環境有利以外，氮化鎵作為Ⅱ/Ⅲ族化合物的直接遷移型半導體，在高溫條件下也能正常運作，是極適合應用於高功率電晶體的材料。

GaN的歷史

　純鎵的熔點僅為30℃，甚至在人體體溫下就會於手掌中融化。距離首次合成氮化鎵又過了大約65年，在1960年代以前仍無法製造出氮化鎵的單晶膜。氮化鎵作為化合物的熔點高達1600℃以上，比矽的熔點高出約200℃。

　1972年，透過在氮化鎵中摻雜鎂，誕生了GaN系LED。這是一項劃時代的發明，雖然剛開始亮度不足以商用，但卻是第一個能發出藍紫光的LED。

　從1990年代起，氮化鎵被廣泛應用於發光二極體（LED）。氮化鎵可發出用於藍光光碟讀取的藍光。此外，它也廣泛用於功率半導體元件、射頻元件、雷射器與光子技術等領域。預計未來亦將在感測技術領域中廣泛應用。

　到了2006年，透過有機金屬氣相成長法（MOCVD），成功地在標準矽晶圓的氮化鋁層上成長出氮化鎵薄膜，製造了增強型GaN電晶體（又稱GaN FET）。氮化鋁層在基板與GaN之間扮演緩衝層的角色。這一全新製造技術使得氮化鎵電晶體可於矽相同的既有工廠與製程中製造。利用既有製程，實現了與矽相同的低成本製造，並大幅提升性能，有助於小型高效能電晶體的普及。更進一步說，所有半導體材料都具有稱為能隙（band gap）的特性，此為電子在固體中無法存在的能量範圍。簡單來說，能隙越大，導電能力越低。矽的能隙為1.12eV，而氮化鎵的能隙為3.4eV，意味著其比矽的MOSFET更能承受高電壓與高溫。

　正因擁有寬廣的能隙，氮化鎵可應用於高功率與高頻率的光電子設備。氮化鎵可於比砷化鎵（GaAs）電晶體更高的溫度與電壓下運作，因此，亦被視為理想的影像與感測類微波裝置以及太赫茲（ThZ）裝置的功率放大器。

GaN的優勢是什麼

　將能應用於高功率與高頻率光電子設備的材料GaN用於AC變壓器時，會帶來哪些優勢？以下將說明把GaN應用於AC變壓器的好處。

　一般來說，GaN常與使用矽材料的裝置做比較。現在主流的以矽材料為基礎的MOSFET，廣泛使用於AC/DC電源、DC/DC電源、馬達控制裝置等，從數十瓦特到數千瓦特的電力應用中皆可見。其封裝、接通電阻（RDS）、額定電壓、切換速度等也持續獲得改善。

　但以矽材料製作的半導體性能，經過長年來的技術發展，已逼近理論極限，進一步改善的空間有限。相反地，基於氮化鎵的功率裝置是具備高臨界電場強度的高電子遷移率電晶體。電子遷移率越高，意味著GaN比矽有更高的電場強度。此外，在接通電阻與崩潰電壓相同時，GaN裝置能做到比矽半導體體積更小。

　GaN FET具備非常快速的切換速度與優秀的反向恢復特性，這是實現低損耗與高效率不可或缺的。目前，600/650V額定的GaN FET已在多數市場流通。

　應用於AC變壓器的優勢大致可分為以下三點。

降低發熱

　由於GaN材料具有寬能隙，與矽相比具備高熱傳導率。這項特性可使GaN裝置在更高溫下仍然運作並高效率散熱，讓AC變壓器維持低溫運轉，防止因過熱而造成損壞。

高電力密度化實現小型化

　由於GaN裝置的切換頻率與操作溫度高於矽材料零件，因此可縮小散熱片，取消風扇等冷卻機構，並減少磁性元件。GaN元件的切換頻率越高，電源電路所需的電感與電容體就能越小型化。由於AC變壓器內部零件搭載數量減少，可使外殼體積變小。

降低噪音與實現無線電力傳輸

　頻率越高，可使馬達驅動型應用上的聲音噪音更低。此外，因為高頻能實現大功率輸出的無線電力傳輸，可提高空間靈活性，讓發射與接收之間的空隙更大。目前甚至在對電動車供電的技術中也正進行研究與應用。

Unifive開發的GaN搭載AC變壓器

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