氮化鎵的發展趨勢及應用

全球消費者追求創新的電子產品並且希望産品可以更細小、更輕盈及更節能。氮化鎵技術的發展可以滿足這些需要之同時以非凡動力，創新紀元，為工程師提供具備更快速開關、更細小、更節能及更低成本的新一代氮化鎵元件。

全新的氮化鎵材料為目前的解決方案注入新生命，使得摩爾定律復活，替代目前的矽元件並為業界開拓意想不到的全新應用，替日常生活打造及開闢全新領域。這些全新應用包括5G無線通信、無線電源傳送、虛擬現實眼鏡、全自動汽車及先進醫療技術如無線心臟泵。

與矽元件相比，由於氮化鎵的晶體具備更強的化學鍵，因此它可以承受比矽元件高出很多倍的電場而不會崩潰。這意味可以把電晶體的各個電端子之間的距離縮短10倍。實現更低的電阻損耗，以及電子具備更短的轉換時間。總的來說，氮化鎵元件具備更快速的開關、更低的功率損耗及更低的成本優勢。

更優越的功率元件必須具備以下特性：元件需要具備更低的傳導損耗、更低的阻抗；開關必須更快速並在硬開關應用中如降壓轉換器具備更低的損耗；更低的電容、更少充電及放電損耗；驅動器使用更少功率；元件更細小及更低的熱阻。

宜普公司為工程師帶來意想不到的全新領域的功率元件。在電阻方面，之前宜普在DC/DC轉換器並聯氮化鎵場效應電晶體(eGaN FET)從而實現更高的輸出電流。與第二代氮化鎵元件相比，第四代eGaN FET可以大大降低阻抗，從而使得基於eGaN FET的DC/DC轉換器具備更大電流及高功率密度。

最重要的是，eGaN FET可以雙面散熱，從而得以進一步提高其散熱效率。至於從結點至外殼(RϴJC)的熱阻，除了30 V的MOSFET具有與eGaN FET可比的熱阻外，在更高壓時，eGaN FET具備無可匹敵的散熱性能。

目前已經有很多應用使用eGaN FET及利用它開發全新應用。有4種應用已經佔去潛在市場的一半：無線電源傳送、LiDAR、波峰追蹤及DC/DC 1/8磚式轉換器應用。

當無線傳送的數據日益增加，需要先進技術把更多的數據bits放進每一個射頻頻道。這種技術提高功率放大器的峰值？平均功率的比率(PAPR)。波峰追蹤技術可以在具有高PAPR比率的系統內使功率放大器實現最高效率。

在一個使用波峰追蹤的系統內，一個高頻DC/DC波峰追蹤轉換器替代電池或靜態DC/DC轉換器，從而追蹤波峰信號，為功率放大器提供所需電壓，可提高系統效率高達一倍。實現波峰追蹤有很多不同方法但目的相同，使得功率轉換器可以在超高頻下工作，例如需要20 MHz頻帶才可以高效地追蹤3G信號。

eGaN FET比先進的矽基MOSFET元件更細小及更高效。為了展示它如何實現更高功率密度、更低成本及更高效，宜普設計出一個全穩壓型、隔離式1/8磚式轉換器。

基於氮化鎵元件、傳統硬開關、全穩壓型、使用中央抽頭次級線圈的全橋式轉換器。最好的全穩壓型1/8磚式的輸出功率為300 W，在滿載條件下的效率大約是94.7%。採用eGaN FET的設計，在500 W可實現的滿載條件下的效率為96.5%。在氣流為400 LFM時，板上最高溫度只是100°C，這是變壓器。eGaN FET在500 W輸出功率時的溫度為91°C或更低 。

氮化鎵元件可以改善其他應用包括提高MRI成像系統的解像度、使得D類音頻放大器的成本更低而同時音質可以更高(因爲eGaN FET具備快速開關的性能)、更節能的LED照明系統及更輕盈、快速操作的機械人。

當氮化鎵元件進入矽元件的領域之同時，eGaN技術發展迅猛，可滿足工程師的設計需要，提供更高效及性能更優越的元件。價格是封阻可替代矽MOSFET元件的氮化鎵電晶體的普及化的最後一個壁壘，而目前價格已經下降。氮化鎵元件的性能及更低的成本實現了以前不可能成真的趨勢及應用，爲半導體業界續寫摩爾定律的輝煌。(此篇為宜普電源轉換公司Alex Lidow博士提供，吳冠儀整理)