作者：德州儀器Arianna Rajabi
物理學進展早已超越矽裝置的發展。過去，傳統供電主力是以整合式雙金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFETs）和絕緣柵雙極電晶體（IGBTs）為主，不過若欲提高功率密度，則必須犧牲效能、形狀因素及散熱能力（efficiency, form factor and heat dissipation）。
直到氮化鎵（GaN）半導體問世。其大幅提高處理電力電子設備的速度，同時能更有效率地為高壓應用提供電力。並且，氮化鎵具備高切換能力，意味著它能在高壓環境中，以少量元件來實現高效率的電力轉換，如圖一所示。氮化鎵半導體為AC/DC供電應用，比如5G通訊電源和伺服器運算，提供新型供電和轉換系統等支援。氮化鎵的問世不斷地拓展了各種應用領域的極限，開始在汽車、工業、可再生能源等市場中，漸漸取代傳統矽基電力解決方案。
圖一：矽設計與GaN設計的磁功率密度比較
GaN FET：新整合場域
大規模資料中心、企業級伺服器、電信交換中心消耗龐大電力。在這些電力系統中，由於FET和閘極驅動器的處理技術不同，通常得各自封裝，也產生額外寄生電感。
除了封裝較大，也會限制GaN在高轉換率的切換表現，反觀德州儀器的LMG3425R030等GaN FET內建閘極驅動器，能在150 V/ns轉換率時將寄生電容降至最低，且相較於分離式GaN FET，損耗可減少66%，亦可改善電磁干擾情況，內建閘極驅動器的TI GaN FET，如圖二所示。
圖二：整合 600-V GaN FET、閘極驅動器、短路保護
在數據中心與伺服器農場中，德州儀器新GaN FET的拓樸較簡單，例如圖騰柱功率因數矯正，可降低轉換損耗、簡化熱能設計、縮小散熱片，在尺寸相同的1U機架式伺服器中，相較於矽 MOSFET，這些裝置的功率密度可加倍，並達到99%效能。若考量長期影響，如此的功率密度及效能格外重要，若伺服器農場安裝GaN裝置後， AC/DC效能每月提升3%，且每天轉換30 kW電力，每個月即可節省27 kW，相當於每月省下約2000美元、每年24000美元。
GaN FET若整合電流限制及過溫偵測，可避免直通電流或熱失控發生，系統介面訊號亦有助於自我監測。
可靠性是電力電子重要因素，相較於傳統串列及獨立GaN FET，高度整合的GaN裝置運用功能及保護機制，能有效提高可靠性，並優化高電壓供電表現。
若使用外部驅動器，寄生電感會造成切換損耗，在高GaN頻率時，也會產生振鈴及可靠性問題，共源電感大幅增加開通損耗，且在高轉換率時設計完善的過電流保護電路既困難又昂貴，但由於GaN並無本體二極體，因此能在切換節點減少振鈴，也排除反向恢復損耗。
具保護功能的GaN裝置
GaN裝置結構與矽裝置大不相同，雖然切換速度更快，在表現及可靠性方面仍有特殊難題，且使用分離式GaN裝置時，也會出現設計簡化及物料清單成本等議題。
新工業級600-V GaN裝置系列整合GaN FET、驅動器、 30- 及 50-mΩ功率級保護功能，為sub-100 W 到 10 kW 的應用提供單晶片解決方案，LMG3422R030、LMG3425R030、LMG3422R050、LMG3425R050 GaN裝置專為高功率密度及高效能應用設計。
相較於矽MOSFET，GaN在第三象限運作「類二極體」，並藉由減少電壓降來縮小空滯時間，TI的LMG3425R030 及 LMG3425R050 的理想二極體模式，可進一步在輸電應用的損耗，更多資訊請見應用筆記「運用理想二極體模式放大GaN表現」。
這些GaN裝置經過4000萬小時的可靠性測試，包括加速及應用內硬式切換測試，都是在最大功率、電壓、溫度環境下，進行高速切換條件測試。
結論
切換電源設計師不斷試圖提升功率密度及效能，雖然矽MOSFET及IGBT提供低功率密度及效能，碳化矽（SiC）裝置能以更高成本達到更高功率密度及效能。
GaN裝置結合最佳超接合面FET之後，解決方案的功率密度可加倍，並符合伺服器及電信應用的80 Plus Titanium超高供電效能標準。
GaN能為電力電子領域翻轉局面，但也需要完善流程及材料工程，包括高品質GaN晶體、優化介電薄膜，並在製造過程創造非常乾淨的介面，當然也需要精細的測試和封裝。
