使用GaN(氮化鎵)的AC變壓器是什麼

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變壓器與切換式電源的頁面。UNIFIVE所開發的USB-PD變壓器中採用了此技術。

次世代半導體，什麼是搭載GaN的AC變壓器

什麼是GaN？

　最近在大型賣場中常會看到搭載GaN PD的USB AC變壓器，其中的“GaN”即是氮化鎵，是為電力電子領域帶來革新變化，備受矚目的次世代材料。數十年來，以矽為基礎的MOSFET（金屬氧化膜半導體場效電晶體）在能源轉換成電力的角色中不可或缺，成為現代生活的重要一環。然而，一般矽基MOSFET在改善其性能與提升電力效率方面，存在理論上的極限，現代技術已接近其無法再進步的邊界。

　此外，隨著近年對電力密度與效率的要求提高，並以先進國家為中心，為了防止環境污染，各類環保法規日益嚴格，而以矽為素材的元件在這波重視環境的趨勢下，已難以繼續適應。相較之下，氮化鎵為因應電力系統之效率、性能與密度升級的需求，具備優越特性的材料，因此已逐漸成為取代矽的次世代電力切換技術的關鍵。

那麼，什麼是氮化鎵？

　氮化鎵於自然界中不存在於元素形態。一般在提煉鋁的鋁土礦過程或以閃鋅礦製造鋅時，會作為副產物得出，因此其萃取與精煉過程所產生的二氧化碳極為稀少。每年約生產超過300噸的鎵，全世界估計儲量超過100萬噸。因其源自製程副產物，1公斤價格約僅300美元，相較於1公斤近6萬美元的黃金，其成本大約是1/200。

除了環境上的優勢，氮化鎵為族III/V雙元直接躍遷型半導體，適合高溫下仍可穩定運作的高功率電晶體。

GaN的歷史

　純鎵的熔點僅30°C，在人體體溫下可於掌中融化。而氮化鎵首次被成功合成，則是65年之後的事，直到1960年代前都無法成長出氮化鎵的單晶薄膜。化合物GaN的熔點超過1600°C，比矽高出200°C。

　1972年，透過注入鎂的GaN系LED首次誕生，為史上首次能發出藍紫光的LED，儘管當時亮度不及商業用途仍具有劃時代意義。

　自1990年代以來，氮化鎵廣泛應用於發光二極體（LED）中，也能發出用於藍光光碟的藍色光。此外，氮化鎵亦被用於半導體電源元件、射頻（RF）零組件、雷射、光子學與其他應用上。未來亦被預期將應用於感測技術領域。

　2006年起，利用有機金屬氣相沉積法（MOCVD）在標準矽晶圓基板上的AIN層生長GaN薄膜，成功開發出增強型GaN電晶體（亦稱為GaN FET）。AIN層作為基板與GaN間緩衝層，此新製程允許氮化鎵電晶體在與矽相同的工廠及相近製程中生產。使用既有製程，有助於降低成本與導入小型高性能電晶體。

　簡而言之，所有半導體材料皆有稱為能隙（Band Gap）的性質，亦即固體內電子無法存在的能量區間。若以矽的能隙為1.12 eV，氮化鎵則為3.4 eV。氮化鎵擁有更寬的能隙，意味其可承受更高電壓與更高溫度，相較於矽的MOSFET更具優勢。

　這樣大的能隙，使得氮化鎵能應用於光電子的高功率・高頻率元件中。由於氮化鎵能於比砷化鎵（GaAs）更高之溫度與電壓穩定運作，因此非常適合作為影像與感測領域的微波或太赫茲（ThZ）電力放大器。

GaN有哪些優勢？

　將可應用於光電子高功率・高頻元件的GaN材料用於AC變壓器上，具備什麼具體優勢呢？以下說明GaN應用於AC變壓器上的幾項重點。

　一般來說，GaN常與矽材料做比較。以目前為標準的矽基MOSFET應用於AC/DC電源・DC/DC電源・馬達控制元件等，從數十瓦到數千瓦之間廣泛作為電源切換的關鍵元件，其封裝、導通電阻、額定電壓、切換速度等性能也持續改善。

　但矽基材料半導體的性能已隨著多年技術發展，接近理論極限，難以再突破。而以氮化鎵為基礎的功率元件為具備高電子遷移率的電晶體，其電子遷移率表示擁有比矽更高的臨界電場強度，在相同導通阻抗與崩潰電壓下，GaN元件可製成體積更小。

　GaN FET具備極低損耗與高效率的性能，擁有快速切換速度與優異的反向恢復特性。目前市面上已有600V或650V等級的GaN FET廣泛販售。

　應用於AC變壓器的優點，大致歸納為以下三項：

降低發熱

　由於GaN材料的能隙較寬，相較於矽具有更高的熱導率。此特性使得GaN元件可在較高溫下穩定運作，且冷卻更為有效，能使AC變壓器維持低溫，減少熱傷害。

提升功率密度與縮小體積

　因GaN元件的切換頻率與運作溫度較矽元件高，可縮小散熱片尺寸，無需風扇冷卻並減少磁性材料使用。越高的切換頻率也意味可讓所需的電感與電容更為小型，縮減AC變壓器內電子零件數量，使機體尺寸可更小。

降低音頻雜訊，實現無線供電

　頻率越高，在馬達驅動應用中能降低音響噪音。此外，透過更高頻率，可實現更高輸出的無線電力傳輸，提高空間靈活性與拉大發送與接收裝置間的間距。此技術目前亦正於電動車無線充電技術上進行研究。

由UNIFIVE開發的GaN搭載AC變壓器

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