GaN功率元件大舉出籠 PSU應用仍須努力 - 熱門新聞 - 新電子科技雜誌 Micro-electronics


熱門關鍵字:SiC | 機器視覺 | GaN | 5G | 自駕車

訂閱電子報

立刻輸入Email,獲取最新的資訊:


收藏功能:
分享報新知:
其他功能:

GaN功率元件大舉出籠 PSU應用仍須努力

文‧黃繼寬 發布日期:2019/08/01 關鍵字:氮化鎵GaNFETPSU伺服器電源

GaN功率元件由於在製程上可以和現有的矽材料整合,形成單片(Monolithic) IC,加上材料本身的價格遠比碳化矽來得便宜,因此在消費性電源產品跟伺服器電源領域,有一定的發展潛力。然而,由於GaN功率元件的架構跟材料特性不同,使得工程師在導入GaNFET時,必須使用不同於傳統MOSFET的驅動方式,且必須把GaNFET缺乏短路跟過載保護的特性納入設計考量中。

相較於主攻高電壓應用市場的SiC,GaN則是靠著高速切換、低損耗且價格較貼近現有矽元件的優勢,可望在消費類及IT基礎建設領域找到應用商機。但有業界人士指出,因為GaNFET跟MOSFET的應用高度重疊,因此在GaNFET剛商品化之際,有些電源工程師沒有先釐清GaN FET與MOSFET的特性差異,以為只要用GaNFET取代現有的MOSFET,並在系統設計上稍加修改,就能獲得GaNFET供應商所宣稱的效能提升。但事實上不是如此。

與現有的MOSFET相比,GaNFET最大的優勢在於可高速切換,而且反向恢復電荷(Qrr)極低,這意味著使用GaNFET的系統,理論上應該要有更低的功率損耗,並具備更高的能源轉換效率。但事實上,如果只是單純用GaNFET取代MOSFET,驅動控制沒有跟著修改,不僅無法發揮GaNFET的潛力,還可能因為GaNFET缺乏短路跟過載保護的功能,導致電源系統更容易出問題。

另一方面,如果要讓GaNFET完全發揮其潛力,電源設計一定要以高速切換為指導原則,但這會使電磁干擾(EMI)的風險增加,印刷電路板的線路布局也必須提出相應的對策。這也是GaNFET在商品化初期,有些電源工程師直接在現有系統設計中以GaNFET取代MOSFET,常常遇到的狀況。

綜合上述討論,要讓GaNFET發揮其潛能,整個電源供應器的系統設計都必須重新來過。因此,只有經驗老道、人力充沛的電源產品設計團隊,才適合直接用GaNFET來開發電源系統產品。如果是對電源設計經驗不那麼充足,人力也不夠的小型開發團隊,必須尋找整合度更高,亦即把驅動跟FET整合在一起的解決方案,甚至是直接從元件供應商提供的系統參考設計修改出自己的設計。

不過,倘若上述可靠度跟驅動控制的問題能夠解決,基於GaN的功率元件很有機會取代目前市場上大多數的超接面(Superjunction) MOSFET。

事實上,目前市場上已經有基於GaN的可攜式USB PD充電器,最大輸出功率可達60W。與傳統的充電器相比,這些新一代的充電器外觀尺寸更小巧,重量也更輕。因此,雖然這類GaN充電器的價格仍比一般的USB PD略高,還是有消費者願意買單。近日包爾英特(PI)正式發表其基於GaN的Innoswitch-3離線CV/CC返馳式切換開關IC系列新品,主打的應用之一就是輸出功率60/100W的USB PD充電器。該元件的一次側以GaNFET取代了傳統MOSFET,減少了電流流過時的導通損耗,並大大降低了運作期間的切換損失。該系列IC在整個滿載範圍內的轉換效率高達95%,

USB PD充電器是GaN功率元件進入應用市場一個很重要的突破點。

GaN的功率輸出能力當然不只如此,但對USB PD充電器業者來說,把產品的輸出功率做到60W,就已經綽綽有餘。因此在進行產品開發時,業者最主要的設計考量是盡可能縮小尺寸、降低重量,讓產品的差異化賣點得以凸顯。

在更大功率的PC/伺服器PSU方面,該業界人士表示,桌上型電腦的PSU可能短期內都還看不到GaN的機會,因為這個市場對元件的價格非常敏感,且桌上型電腦的PSU外觀尺寸已經標準化,就算GaN元件能把PSU的體積縮小、重量減輕,意義也不大。至於伺服器電源,則得看系統OEM/ODM業者的客戶是誰。如果OEM/ODM接的是惠普(HP)、戴爾(Dell)的標準伺服器訂單,其所使用的PSU應該還是基於傳統MOSFET,因為成本上還有一些落差;但如果OEM/ODM是直接供貨給亞馬遜(Amazon)、Google或Facebook,這類客製化伺服器的PSU導入GaN功率元件的可能性就不小。

因為網路大廠在評估伺服器的時候,是從整體持有成本(TCO)的角度出發,而不是只看購買硬體的價格。基於GaN的伺服器PSU,轉換效率可以達到95%水準,這對節省資料中心的耗電量,可帶來很大的幫助。

研討會專區
熱門文章