從如同磚塊般的手機到笨重的電視機,電源供應器曾在電子產品中佔據相當大的空間,而市場對於高功率密度的需求也正日益增高。

過去矽(silicon)電源技術的發展與創新曾大幅縮減產品尺寸,但卻難有更進一步的突破。在現今的尺寸規格下,矽材料已無法在所需的頻率下輸出更高的功率。對於未來的5G無線網路、機器人,以及再生能源至資料中心技術,功率將是關鍵的影響因素。

60多年以來,矽一直都是電子零組件中的基礎材料,廣泛應用於交流電與直流電轉換,並調整直流電壓以滿足從手機到工業機器人等眾多應用的需求。儘管必要的零組件一直不斷地改良與最佳化,但物理學意義上的極限卻是矽材料的最大挑戰。

為解決上述問題,以GaN為基礎的新型電源和轉換系統便應運而生—產生更少的功耗與散熱問題。由於高溫可能會增加運作成本、干擾網路訊號並導致設備提早故障,使得這些特性顯得更至關重要。

GaN可以在電源應用中提供更高的頻率與效率,並可在僅有矽材料一半空間與功耗的條件下輸出同等的功率。如此一來,不僅可以提高功率密度,更可以協助客戶在不增加設計空間的同時滿足更高的功率需求。

更高的開關頻率代表GaN可以一次轉換更大範圍的功率,進而減少複雜裝置中的電源轉換。由於每次電源轉換都會產生新的功耗,這對於很逐漸成長的高壓應用而言是一項關鍵的優勢。

具備60年發展歷史的矽材料雖然並不會在一夕之間被取代,但經過多年的研究、實際驗證和可靠度測試,GaN被視為是解決功率密度問題的最佳技術。德州儀器(TI)已在高於矽材料的工作溫度與電壓下,對GaN裝置進行了2,000萬小時的加速可靠度測試。在此測試時間內,遠程飛行世界紀錄保持者GlobalFlyer可繞地球飛行25萬9,740次。

德州儀器正與聯合電子裝置工程委員會(Joint Electron Device Engineering Council,JEDEC)分享了GaN資格協定,並將負責其GaN資格認證委員會。

GaN的未來發展

在一些功率密度為優先考量特性的關鍵產業,GaN已經開始代替矽材料。適合大量生產GaN電源供應器的主流產業包括:

製造業:實際上,現今典型的機械手臂並未整合其工作所需的所有電子零組件。由於電源轉換和馬達驅動等零組件的尺寸過大且效率較低,導致它們通常安裝於分開獨立的機櫃中,再利用長距離的纜線連接至機械手臂,這便使得工業機器人單位立方公尺的生產效率降低。藉由GaN技術,即可更簡易地將馬達和電源轉換器等整合到機器人中。如此便可以簡化設計、減少複雜的纜線並降低營運成本。

資料中心:隨著市場對數位化服務需求的提升,資料中心正在經歷一場變革,轉而採用48V直流電源直接供電。傳統的矽電源轉換模組無法有效地將48V電壓一次轉換為大多數運算硬體設備所要求的低電壓,而中間轉換過程則會降低資料中心的電源效率。GaN可以在電源輸送至伺服器與晶片之前,將電壓從48V降低至負載點(point-of-load)電壓,進而大幅降低配電損耗並減少轉換損耗達30%。

無線服務:有鑑於大範圍的5G行動網路覆蓋要求網路營運商建置更高功率與工作頻率的設備,但因營運商不希望提高基地台設備的尺寸,GaN的高功率密度優勢將可以滿足他們的需求。

再生能源:再生能源的產生和儲存也必須進行轉換,因此GaN的效率優勢成為關鍵。在再生能源計劃中,通常以智慧電網的方式儲存能源以提供未來使用。如果可以在風力發電機靜止時或太陽能板不再吸收陽光時,能更有效地轉換大功率電池的電力輸入和輸出,這將成為一項非常顯著的優勢。德州儀器與其合作夥伴已證實GaN能夠以99%的高效率轉換10kW的再生能源,這對於電力公用事業市場來說是一個極為出色的效率基準。

未來,GaN將繼續擴展至消費性電子產品等應用,打造更輕薄的平板顯示,並減少可充電裝置的能源浪費。