什麼是使用GaN(氮化鎵)的AC轉接器

本頁介紹搭載被稱為次世代半導體的GaN(氮化鎵)IC之AC適配器與開關電源。UNIFIVE所開發的USB-PD適配器亦採用此技術。

次世代半導體,GaN搭載AC變壓器是什麼

GaN是什麼?

　最近在量販店也常見搭載GaN PD的USB AC變壓器。所謂的"GaN"是指氮化鎵,是一種在功率電子領域帶來革新性變化、備受矚目的次世代材料。數十年來,以矽為基礎的MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)在能量轉換為電力方面扮演著重要角色,成為現代日常生活不可或缺的一部分。然而,傳統矽MOSFET在改良與提升電力效率方面存在理論極限,以現代技術而言,已逐漸接近難以再進一步改善的水準。

　此外,近年來對電力密度與電力效率的要求不斷提高,以先進國家為中心,為了遏止環境污染,各種法規陸續實施。在這樣重視環保的趨勢下,矽材料在成分特性上較難完全對應此類需求。相較之下,氮化鎵具備可因應提升電力系統效率、性能與電力密度需求的特性,因此正逐漸成為取代矽的次世代功率開關技術核心。

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。通常是在從鋁土礦提煉鋁,或從閃鋅礦加工製造鋅時的副產品,因此在萃取與精製過程中的二氧化碳排放量非常低。鎵每年產量超過300噸,全球儲量估計超過100萬噸。由於是加工過程中的副產品,每1 kg約300美元,價格相對低廉,僅為每1 kg約6萬美元黃金價格的1/200。

　除了環保優勢之外,氮化鎵還是屬於III-V族直接能隙半導體,適合用於即使在高溫環境下也能正常運作的高功率電晶體材料。

GaN的歷史

　純鎵的熔點僅約30°C,在人體體溫下會在手掌中融化。氮化鎵的首次合成則又歷經約65年,直到1960年代之前仍無法生長出氮化鎵單晶薄膜。化合物GaN的熔點超過1,600°C,比矽高出約200°C。

　1972年,摻鎂的GaN系LED誕生,這是一項劃時代的突破。雖然當時亮度尚不足以商用,但它是首個能發出藍紫色光的LED。

　1990年代以後,氮化鎵開始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,氮化鎵也應用於半導體功率元件、RF元件、雷射與光子技術等領域。未來據說在感測技術領域中也將使用GaN。

　2006年,透過有機金屬氣相沉積法(MOCVD),在標準矽晶圓的AlN層上成長GaN薄膜,並開始製造增強型GaN電晶體(亦稱GaN FET)。AlN層作為基板與GaN之間的緩衝層。此新方法使氮化鎵電晶體能在既有矽晶圓廠中,以幾乎相同製程生產。使用既有製程可實現與矽相同的低成本製造,並降低導入高性能小型電晶體的門檻。進一步說明,所有半導體材料皆有所謂的能隙(band gap),指的是固體中電子無法存在的能量範圍。簡而言之,能隙代表材料導電能力。矽的能隙為1.12 eV,而氮化鎵為3.4 eV。較寬的能隙意味著氮化鎵比矽MOSFET更能承受高電壓與高溫。

　由於具備寬能隙特性,氮化鎵可應用於高功率與高頻光電元件。氮化鎵可在遠高於砷化鎵(GaAs)電晶體的溫度與電壓下運作,因此被認為是影像與感測等微波裝置以及太赫茲(THz)裝置功率放大器的理想材料。

GaN的優點

　作為可應用於高功率與高頻光電元件的材料,將GaN應用於AC變壓器有何優勢呢?以下說明其優點。

　一般而言,GaN常與矽材料比較。目前標準的矽基MOSFET廣泛應用於AC/DC電源、DC/DC電源、馬達控制裝置等電力應用領域,功率範圍從數十瓦到數百瓦甚至數千瓦。其封裝、導通電阻RDS、額定電壓與開關速度等皆持續改善。

　然而,矽半導體性能在多年技術進步後已接近理論極限,難以再有突破。相對地,以氮化鎵為基礎的功率元件屬於高電子遷移率電晶體,其臨界電場強度高於矽。較高的電子遷移率代表在相同導通電阻與崩潰電壓條件下,GaN元件尺寸可比矽更小。

　GaN FET具備極快的開關速度與優異的反向恢復特性,對於實現低損耗與高效率至關重要。目前市場上已有多款600/650V額定的GaN FET產品。

　用於AC變壓器的優點大致可歸納為以下3點。

改善發熱

　GaN材料因能隙較寬,具有比矽更高的熱導率。此特性能使GaN元件在更高溫下運作並提升散熱效率,有助於降低AC變壓器溫度並減少熱損傷。

提高功率密度,實現小型化

　由於開關頻率與工作溫度高於矽元件,可縮小散熱片尺寸、取消風扇並減少磁性元件體積。更高的開關頻率也能縮小電源電路中電感與電容尺寸。電子零件數量減少,使AC變壓器整體體積得以縮小。

降低噪音,實現無線電力傳輸

　頻率越高,馬達驅動應用中的聲學噪音越低。同時,高頻化可實現更高功率的無線電力傳輸,提升空間自由度並加大發射與接收之間的氣隙。目前此技術亦正應用於電動車無線充電研究。

UNIFIVE開發的GaN搭載AC變壓器

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