功率半導體是高效電源轉換的重要組成部份。實際上,電源轉換系統存在於所有現代電子產品中,其應用包括工業、汽車、消費、醫療或航空航太等。它們主要應用於電源、照明控制和馬達驅動器中。

根據Yole Développement統計,2017年功率元件市場的營收約為300億美元,其中超過一半的營收來自電源IC。到2022年,這一市場的營收預計將成長到約350億美元。

隨著全球生活水準迅速提高,電力需求也在相應成長。為了減少核電、木材、燃煤、燃氣電廠對環境的影響,我們必須有效使用電力。此外,隨著人們對電腦處理能力、汽車燃油經濟性、電動車(EV)和無人機行駛距離、燈具能耗等要求越來越高,在可預見的未來,人們對於更低成本、更小體積、更高效電源系統的需求將會繼續穩步成長。

資料中心用電量驚人,需要高效的電源架構和電源轉換技術

Alexander Lidow
宜普電源轉換公司執行長兼聯合創始人

資料中心及電信系統是電子基礎設施的主要成員,與我們的日常生活息息相關。隨著技術融入到生活中,我們認為這理所當然,可是,就像冰山一樣,我們看不到大部份的電子基礎設施。這些基礎設施的硬體部份,包含著數百萬個微處理器、資料記憶體、輸出資料匯流排以及輔助邏輯電路。

每個處理器可能包含數十億個微小的整合電晶體電路。這些極小的元件用電量微乎其微,工作電壓範圍通常是從數伏特到1V以下。而資料中心可以採用數千個處理器,這意味著同一時間使用了上兆個電晶體!因此,資料中心所需的電力將會是從數兆瓦到數十兆瓦。目前,資料中心所需的電力是4160V三相交流電壓或13. 8kV。這對於需要很低電壓及相當精確電壓的資訊處理硬體來說,是完全不合適的。因此,我們必須找出高效的電源架構並採用優越的電源轉換技術,從而可以高效地降壓至1V。

實際上,電力昂貴,而且資料中心的用電量驚人。如果要實現大於1000∶1的電壓轉換比,必須採用多級電源轉換,而在每一級的電源轉換過程中,都會流失若干能量,從而增加了整個系統的成本。流失的能量就是熱量,必需除去。這需要有效的散熱管理,通常是利用空調,但這會推高用電量及進一步增加成本。高效電源轉換可顯著地降低電費開支, 電費開支就是構成資料中心最大的成本。到2020年,我們預計在美國的資料中心的總能耗將高達730億kWh, 使得我們根本不可能使用低效的供電架構。

在這數年間,業界十分關注從48V匯流排電壓轉到通常是1V或以下電壓的負載點應用。最後一級的電源轉換是最困難的,也是目前來說最低效的,大約會流失掉15%的總能量,如果能將這些能量用於數位晶片,就可以提高收入。

氮化鎵實現顯著性能提升,在達其極限之前仍可提高效率約300倍

很多工程師提問關於氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)的異同。GaN和SiC都是寬能隙半導體,因此可以在更小、更快的元件中處理比矽更多的功率。GaN的一個額外優點是可以在元件表面產生二維電子氣(2DEG)。這種2DEG可以使橫向GaN元件更快地傳導電子,並使其電阻比Si或SiC更低。橫向元件的所有電氣連接與主動元件在同一平面上。不同的應用具有不同的電壓要求。當電壓要求超過600~900V時,橫向元件就行不通了。垂直GaN元件(電氣連接在頂部和底部)沒有2DEG,因此其性能就更接近於SiC。隨著垂直SiC二極體和電晶體的成熟度越來越高,SiC有望主導約900V以上的應用。然而, 一般而言,900V以下的市場更大,這也是宜普(EPC)目前鎖定的市場。

GaN元件才剛剛開始在電源轉換領域嶄露頭角。值得注意的是,功率電晶體在過去短短幾年取得了重大進展,導通電阻有了大幅改善。即便如此,目前市場上最好的矽基GaN電晶體也比Si的理論極限要好得多,而且在達到其極限之前仍然可以提高效率約300倍。

矽基GaN技術對於整合來說也是非常好的候選物件。現在,我們已經有基於矽基GaN的單片半橋元件。未來還將有完整的SoC功率元件,而在電源轉換應用中實質上可以淘汰使用分離式電晶體。

總結

氮化鎵功率元件的出現,改變了業界的遊戲規則。相較基於傳統矽MOSFET元件的解決方案,基於氮化鎵元件的解決方案更高效、佔位面積更小,而且成本更低。

業界的共同目標是希望每一個全新設計都可以實現節能、更低的成本及更高的效率,從而設計出更優越的資料中心。目前有越來越多的公司製造基於氮化鎵技術的DC/DC電源轉換產品,因此可以預期,更高效、更具成本效益的未來,就從現在開始!