相較於矽材料，以GaN材料實作功率元件，可以明顯拉高切換速度，從而讓電源設計者在電源設備中採用更小的電容、磁性元件，獲得提高功率密度，降低損耗的效益。然而，天底下很少有毫無缺點的選擇，作為功率應用領域的新興材料，GaN的可靠度與安全性，終究還是未經時間考驗，對於許多產品生命週期很長的大功率設備供應商，如生產伺服器電源、馬達驅動單元、電動車充電器的業者而言，要在產品中導入GaN元件，必須從長計議。
相較之下，消費性產品的生命週期短，市場對產品的可靠度要求不會像工業、汽車產業那麼嚴謹。只要成本結構對了，終端產品上市跟普及的速度很快。舉例來說，目前消費者已經可以在3C通路跟電商平台上購買到各種基於GaN HEMT的USB快速充電器，雖然價格仍比基於矽元件的同類產品略高，但其外觀小巧易於攜帶，輸出功率又有過之而無不及，對消費者來說仍是有吸引力的選擇。
這個現象也顯示，GaN功率元件的成本結構是相當有競爭力的。只要讓客戶建立信心，GaN功率元件在汽車、工業、資料中心等大功率應用領域，也有不小的發展空間。
熬過醞釀期 大功率應用逐漸浮現
GaN Systems台灣區業務總經理林志彥指出，雖然目前GaN HEMT元件最廣為人知，出貨量也最大的應用，是各種針對零售市場推出的快速充電器配件，或是筆記型電腦的電源供應器，但該公司過去幾年除了耕耘消費性電源應用市場外，其實也花了很多心力在非消費性產品上。舉例來說，資料中心所使用的各種高功率電源設備、電動車上的車載充電單元、工業類的馬達驅動設備、機器手臂等，也都有許多客戶正在設計導入，或是已經有產品量產上市。
事實上，非消費性產品導入GaN HEMT元件的時間點，並不晚於消費性產品。例如西門子(Siemens)的馬達驅控設備，就已經採用GaN Systems提供的方案，還有許多其他不方便透漏的設備客戶，也已經推出基於GaN HEMT元件的伺服器電源、逆變器(Inverter)等產品。還有些車廠客戶，也看上GaN在功率密度上的優勢，而決定與GaN Systems合作，共同發展22kW的車載充電器。
但工業或汽車領域的客戶，對元件的可靠度、安全性，要求都比消費性產品的製造商來得更嚴謹，因此其評估、測試與研發的週期，往往得花上兩到三年。以西門子的馬達驅控設備(圖1)為例，從元件性能/可靠性評估到產品設計、測試與量產，就花了近四年時間。但也因為前期作業紮實，因此從產品量產至今，業界對GaN元件最有疑慮的可靠度問題，至今完全沒有出現過。對GaN功率元件來說，這是一個相當重要的成功案例，有助於建立客戶對GaN元件的信心。
另一方面，由於前期評估跟設計導入要花極大的心力，因此工業或汽車客戶只要導入某款元件，在終端產品漫長的生命週期中，都必須確保該款元件供應無虞，這使得客戶額外重視元件是否有第二供應來源。也因為這個緣故，GaN Systems與羅姆(ROHM)在2018年中結盟合作，讓兩家業者可以共同滿足客戶需求。
工業、汽車等非消費性產品需要較長的醞釀期。成本、供應鏈是否健全，乃至元件本身的技術特性，都是客戶在設計導入時需要考量的面向。但經過過去幾年的努力，已經有越來越多工業與資通訊電源設備開始採用GaN HEMT元件，電動車應用也已經有了初步成果。GaN功率元件應用開枝散葉，將是指日可待。
成本將是GaN最大優勢
包爾英特(Power Integrations, PI)行銷副總裁Doug Bailey(圖2)則表示，對於同時需要高效率跟小尺寸的電源設備來說，GaN元件所能創造的效益最為明顯。除了消費性的NB電源跟USB快充之外，伺服器跟電動車的電源系統，也是PI非常看好的應用市場。
事實上，GaN作為電源開關，其特性幾乎是全面性地勝過基於矽的傳統元件，只是目前跟矽開關相比，GaN開關的成本還略為高出一截。如果GaN跟矽的價差能持續縮小，可能絕大多數的電源應用都會考慮採用GaN開關。
那麼，GaN開關的成本，有沒有可能直逼矽開關呢？林志彥認為，這個可能性是存在的。事實上，目前GaN HEMT的市場行情，已經很貼近基於矽的MOSFET。如果是小量採購，GaN HEMT的報價約比MOSFET高出一成多，但若是百萬顆等級的大規模採購，跟MOSFET的報價應該是相去無幾。
至於跟另一種寬能隙材料–碳化矽(SiC)相比，GaN的成本優勢會更為明顯。SiC在散熱跟耐高壓方面，表現確實是優於GaN，但SiC的材料成本相當高昂，而且因為結構的關係，不容易微縮，這使得SiC元件不僅起始價格就比GaN高出一大截，降價的速度也不如GaN。
Bailey認為，由於GaN與SiC的成本落差相當明顯，許多高功率應用的開發者都對GaN展現出濃厚興趣。只要針對高功率應用研發的GaN HEMT開發成功，相信許多高功率應用的設計者，都會很快轉向GaN。事實上，高功率GaN HEMT的進展相當快，絕大多數電動車廠都已經拿到高功率GaN HEMT的工程樣本並展開評估，因此，GaN元件在電動車市場上，應該會有十分可觀的成長。
大功率應用更需高整合方案
在GaN元件積極搶攻高功率應用市場的同時，元件的設計將跟著出現哪些變化？林志彥認為，驅動器(Driver)與HEMT的整合，將是必然發生的趨勢。事實上，對消費性電源而言，GaN HEMT與驅動器是否一定要整合，還有討論空間，因為消費性電源的功率低，GaN HEMT的開關速度不須推到極限，以便在開關損失跟開關雜訊之間取得最好的平衡。此外，由於消費性電源的GaN HEMT開關頻率不必拉得很高，因此驅動器到開關之間的距離較長，仍是可以接受的。
舉例來說，對消費性電源來說，GaN HEMT的開關頻率只要設定在數百kHz即可。這個頻率已經遠高於矽MOSFET，但對GaN HEMT來說，仍是很游刃有餘的開關速度。電源開發者把頻率控制在這個水準，不僅可以享受到周邊被動元件縮小、轉換損失降低等優勢，同時也不必太擔心開關雜訊、電磁干擾(EMI)等會隨著開關頻率拉高而出現的問題。
但如果是大功率應用，為了盡可能減少開關損失，提高能源效率並緩解散熱問題，GaN HEMT的開關頻率會提高到數MHz，甚至更快。這時候，開關跟驅動器之間的距離就要越短越好，否則寄生電容會拖慢開關的切換速度。另一方面，開關雜訊跟EMI等高頻切換所導致的問題，在高頻條件下也會變得更明顯。如果不採用整合型解決方案，電源工程師得在雜訊問題上耗費更多時間，而且若要從系統設計端著手，這些問題並不好解。
對GaN HEMT供應商來說，這意味著商業模式要非常彈性。如果只提供客戶封裝好的HEMT元件，不一定能滿足用戶需求。直接銷售晶圓給模組廠，由模組廠完成驅動器與HEMT的整合，再以電源模組的形式出貨給客戶，也會是很重要的業務型態。
GaN HEMT/SiC狹路相逢
寬能隙材料的兩大明星–GaN與SiC，作為電源開關元件，都有著遠優於矽材料的特性，但由於SiC可以承受更高電壓，散熱能力也比GaN更好，因此業界普遍認為，在電動車、軌道運輸與再生能源等高功率、甚至特高功率應用市場上，SiC將具備主導優勢。至於伺服器電源、馬達驅動與消費性電源等市場，則會是GaN HEMT的天下。
但由於GaN技術快速進步，如今看來，GaN HEMT與SiC之間的應用分野，或許並不那麼涇渭分明。特別是在電動車領域，許多車廠都對GaN HEMT展現極大的興趣。如果GaN HEMT能在可靠度等車廠客戶最關心的關鍵指標上取得突破，並建立起客戶的信賴感，GaN與SiC或將在電動車市場上出現激烈的競爭。
「物競天擇，適者生存」，最好的產品未必能在商業競爭中勝出，最具性價比的產品往往才是最後的贏家。GaN能否靠著成本接近矽解決方案，但性能遠優於矽的優勢，成為下一代功率元件的主流，並取代絕大多數的矽MOSFET，值得密切觀察。
