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。此產品已應用於UNIFIVE開發的USB-PD變壓器中。

次世代半導體、GaN搭載AC變壓器是什麼？

什麼是GaN？

　近年在量販店中常見的GaN PD搭載USB AC變壓器，其中的“GaN”是氮化鎵，是在電力電子領域帶來革新變化的下一代關注材料。長期以來，以矽為基礎的MOSFET（金屬氧化膜半導體場效電晶體）在將能量轉換為電力方面扮演著重要角色，並且已成為現代生活不可或缺的存在。然而，對於常見的矽MOSFET，其改良與功率效率的提升在理論上已達極限，以現今技術而言幾乎無法再進一步改善。

　此外，近年對電力密度與電力效率的要求提高，加上先進國家為了抑制環境污染而開始實施各種規範的趨勢下，矽材料難以順應注重環保的方向。相較之下，氮化鎵則具備可順應功率系統效率、性能及電力密度提升需求的特性，因而作為取代矽的次世代電力切換技術，正逐步普及。

那麼，何謂氮化鎵？

　氮化鎵在自然界中並不存在於元素狀態。通常作為鋁由鋁土礦提煉過程，或由閃鋅礦提煉鋅時的副產物而取得，因此在提取與精製時的二氧化碳排放量極低。每年可生產超過300公噸的鎵，全球儲量預估超過100萬公噸。由於為加工時的副產品，每公斤價格約為300美元，相對於每公斤約6萬美元的黃金，價格僅為其1/200。

　除了環境上的優勢外，氮化鎵為二元III/V族的直接能隙半導體，即使在高溫下也能正確運作，是非常適合高功率電晶體的材料。

GaN的歷史

　純淨的鎵熔點僅約30°C，在人體正常體溫下可於掌心中融化。氮化鎵要直到其後約65年才首次成功合成，並且直至1960年代之前尚無法長成氮化鎵單晶膜。化合物形式的GaN熔點超過1600°C，比矽高出約200°C。

　1972年，摻雜鎂的GaN LED問世，為革新性的發展。雖當時亮度不足以商業化，卻是首個可發出藍紫光的LED。

　自1990年代以來，氮化鎵廣泛應用於發光二極體（LED），包含用於藍光光碟讀取的藍光光源。氮化鎵也應用於半導體電力元件、射頻元件、雷射、光子學等。未來預期在感測器技術領域中也會使用GaN。

　2006年，透過有機金屬氣相沉積法（MOCVD）在標準矽晶圓的氮化鋁層上製造出GaN薄膜，成功開發出增強型GaN電晶體（也稱為GaN FET）。氮化鋁層作為基板與GaN之間的緩衝層。此新技術使得GaN電晶體可於與矽相同的既有工廠、幾乎相同的製程中生產。透過利用已知的程序，使得GaN晶體管能以與矽相同的低成本製造，有助於導入高性能小型電晶體。

　簡單來說，所有半導體材料皆存在所謂的「能隙（band gap）」，即為固體中電子狀態無法存在的能量範圍。它決定了固體材料能導電的程度。矽的能隙為1.12 eV，而氮化鎵為3.4 eV。氮化鎵具有較寬的能隙，這代表其能承受比矽MOSFET更高的電壓與溫度。

　正因具有如此寬的能隙，氮化鎵可應用於光電子學領域的高功率與高頻裝置。其運作溫度與電壓遠高於砷化鎵（GaAs）電晶體，因此也被視為微波、成像與感測等應用中，像是太赫茲（THz）裝置的電力放大器的理想選擇。

GaN的優勢

　若將可應用於光電子領域高功率・高頻裝置的材料GaN用於AC變壓器上，會帶來哪些優點？下面說明GaN應用於AC變壓器的幾項優勢。

　通常會將GaN與使用矽材料的器件比較。目前普遍使用的矽MOSFET廣泛應用於AC/DC電源、DC/DC電源、馬達控制裝置等，處理功率範圍從幾十瓦特到上千瓦不等，其封裝、導通電阻RDS(on)、額定電壓與切換速度等特性皆持續精進中。

　但由於矽材料的半導體經過多年技術進化，性能已接近其理論極限，難有更多改善空間。相反地，基於氮化鎵的功率元件為具備高臨界電場強度的高電子遷移率電晶體。此高遷移率代表GaN相較於矽擁有更高的電場強度，且在相同導通電阻及崩潰電壓下，GaN裝置較矽半導體更小型。

　GaN FET具備極低損耗及高效率所必須的高速切換性能與優秀的反向恢復特性。現今已有多款600/650V額定的GaN FET在市場流通。

　應用於AC變壓器上的優點大致可分為以下三點：

降低發熱

　因氮化鎵具備較寬的能隙，相比矽擁有更高的熱導率。這使得採用GaN的裝置能在更高溫下運作並實現高效散熱，從而保持變壓器低溫，降低因熱損害造成的問題。

高功率密度實現小型化

　由於其切換頻率與運作溫度皆高於矽元件，使得散熱片可縮小、可取消冷卻用風扇並降低電磁干擾。GaN元件的高切換頻率也可縮小電源電路中使用的電感與電容元件，有助於減少AC變壓器內部電子零件數量與體積。

降低聲音噪音與實現無線供電

　頻率越高，在馬達驅動應用中產生的聲學噪音也更低。並且高頻率亦提升了在高輸出下進行無線供電的可能性，進一步提高空間設置自由度及擴大發射與接收端的氣隙。目前此技術也正在研究中以應用於電動車供電。

Unifive開發的GaN搭載AC變壓器

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