GaN設計訣竅： 智慧拓撲、佈局與熱管理
作者 : Majeed Ahmad，EDN主編
GaN技術距離其理論性能極限還有30倍的差距，因此仍有餘裕開發更好的GaN晶片。為了充份利用電晶體，設計工程師必須專注於智慧拓撲、佈局和熱傳遞，而非使用GaN的原始功率...
氮化鎵(GaN)半導體、電動車(EV)以及為提高能效和環境保護而打造的其他產品，成為今年國際消費電子展(CES 2023)的最大亮點。從加拿大GaN功率元件製造商GaN Systems在CES的展出攤位即可看到2023年及其後塑造這種寬能隙(WBG)技術的設計足跡及其具體發展趨勢。
在該公司的展示攤位上，GAN Systems執行長Jim Witham介紹最新的產品，同時談到了GaN技術和應用的設計進展。他說，原始設備製造商(OEM)已經從2021年開始尋求將GaN充電器用於手機和筆記型電腦。
關於GaN元件的最新動態，Witham提到了資料中心伺服器的電源。在展場上，該公司展示xFusion 3kW電源供應器(PSU)，這是首款採用80 plus Titanium的100W/in3高效率解決方案(圖1)。
圖1：資料中心伺服器用的3kW電源在搭配80 Plus認證機制時可達96%的能效級。（資料來源：GaN Systems）
在汽車領域，另一個亮點是，這家總部位於加拿大渥太華的公司展示其為EV設計的GaN供電7.2kW車載充電器(OBC)和DC-DC轉換器。Witham還展示其與Daniel Hertz合作的GaN供電Wi-Fi揚聲器，它可以從串流媒體等數位內容中傳輸純類比聲音。此外，還有GaN Systems與Axign合作開發的1,000W D類音訊放大器，該設計結合了GaN Systems的GaN功率半導體與Axign的音訊放大器控制器。
GaN的設計進展
當被問及GaN半導體設計的未來方向時，Witham提到了兩件事。首先，在電源子系統中，設計工程師如何將所有元件放在一起並共同封裝。「你必須把東西做得更小，採用緊密的閘極迴路，並確保良好的熱傳遞。」
其次，GaN技術距離其理論性能極限還有30倍的差距，因此仍有餘裕開發更好的GaN晶片。在這方面，根據Witham表示，為了充份利用電晶體，設計工程師必須專注於智慧拓撲、佈局和熱傳遞，而非使用GaN的原始功率。
圖2：設計訣竅在於使用正確的拓撲結構，以便從GaN電晶體中獲得最佳價值。（資料來源：Reuters）
Witham說：「為了開發更好的電源子系統並生產更好的GaN晶片，我們在這兩個領域都付出了巨大努力。關於GaN元件的熱管理，熱一直都很重要，因為如果你能將熱量從元件中排除，最終將能減少在系統上的花費。我們持續在做這些事情，但更重要的是最佳化使用GaN電晶體。」
GaN Systems的發展史
Girvan Patterson和John Roberts於2006年共同創立了GaN Systems。其總部設於加拿大渥太華。但渥太華並不是功率半導體的溫床。因此，當被問及為什麼選擇渥太華時，Witham稱原因有三：首先，光學半導體的繁榮就發生在那裡，例如像是北電(Nortel)等公司。
其次，有大量的創業精神和風險投資資金。「公司創辦人將GaN視為電源產業的機遇和成長，尤其是在資料中心、工業馬達和充電器方面。」Witham說：「不過，我認為當時還沒有人看到電動車的巨大成長潛力。」
第三，首都渥太華有一個研究機構，即國家研究委員會(National Research Council；NRC)，它為新創公司提供了一個小型GaN晶圓廠，以獲得快速的學習週期。Witham 補充道：「這就是為什麼我們能夠快速想出可用GaN電晶體的原因。
圖3：兩位渥太華連續創業家(Girvan Patterson和John Roberts)於2006年創立了GaN Systems。（來源：GaN Systems）
2013年，當台積電(TSMC)為其GaN製造製程進行最後處理時；每當台積電準備投產新的製程時，就會在全球各地進行篩選，同時也與幾家公司面談，之後才選擇一家公司作為合作夥伴並進行首款設計。
台積電選擇了GaN Systems，一旦該公司在渥太華完善其配方後，便將其用於大規模生產的GaN半導體設計轉移到台灣。快轉來到2023年，GaN Systems聲稱自家公司是唯一擁有汽車生產專案的GaN半導體公司。在CES 2023，GaN Systems並針對EV設計展示了Canoo的OBC以及Vitesco的DC-DC轉換器。
編譯：Susan Hong
(參考原文：The design view from GaN Systems’ booth at CES 2023，by Majeed Ahmad)
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