作者：Maurizio Di Paolo Emilio

全文最初發表於 EPDT

功率電子的發展歷史一直呈現出一種可預見的節奏：材料極限、架構轉變，以及一種新的半導體平台重新定義產業預期。如今，這一轉變正在再次發生，這一次的主角是氮化鎵（GaN）。

在最近TechSimplified TV的一期半導體播客訪談中， 宜普電源轉換公司（EPC）執行長兼共同創辦人、HEXFET功率MOSFET共同發明人Alex Lidow，從長期角度深入闡述了GaN如何改變高效功率轉換的未來。他傳達的訊息清楚而直接：

“矽正在後繼乏力，而當這種情況發生時，就必須有新的技術來接替它。這就是氮化鎵。”

這不僅是一項技術現實，也代表著一種策略轉變，而這種轉變如今已經體現在 AI基礎設施、機器人、衛星、消費類快速充電以及新興電氣化平台等多個領域。

為什麼氮化鎵改變了遊戲規則

GaN的優勢始於原子層面。與矽相比，鎵與氮之間更強的化學鍵使其成為一種更寬能隙的材料，能夠承受更高的電場並支援更快的開關操作。

正如Lidow所解釋的：“由於化學鍵更強，氮化鎵可以承受更高的電場。這意味著功率元件可以做得更小、更快，而且效率更高。”

與矽元件不同，GaN高電子遷移率電晶體（HEMT）利用在AlGaN/GaN介面形成的二維電子氣（2DEG）。這使其在不犧牲可靠性的情況下，實現卓越的載流子遷移率和開關性能。

由此形成了一種特別適合高頻、高密度功率轉換架構的材料平台，而這正是現代運算、機器人和電氣化生態系統所需要的。

由於EPC GaN元件採用矽基板並利用標準半導體製造基礎設施進行生產，因此兼具寬能隙性能和可規模化製造的經濟優勢。這使工程師能夠實現遠超矽MOSFET極限的開關頻率，同時縮小系統尺寸、磁性元件體積和熱應力，並降低成本。

從矽MOSFET主導到GaN轉型

近五十年來，矽功率MOSFET一直主導著功率轉換領域。然而，在高密度應用中，其擴展極限正變得越來越明顯。

Lidow表示：“氮化鎵已經證明，在功率傳導的每一個性能維度上，它都優於矽元件。”

不過，半導體基礎設施的轉型很少會在一夕之間完成。相反，它們通常經歷由應用驅動的一波又一波採用週期。從歷史來看，即使MOSFET在技術上已經更先進，雙極性電晶體仍然繼續存在了很長一段時間。隨著GaN逐步在新的系統架構中取代矽，而不是簡單替換傳統平台中的元件，同樣的模式很可能再次出現。

這種轉變已經體現在：

• AI電力傳輸網路
• 無人機
• 汽車、伺服器和機器人中的48 V系統
• 機器人馬達和致動器
• 衛星電子系統

48伏節點：一個策略性轉折層級

推動GaN加速採用的一個最重要因素，是向48 V架構的遷移。48 V中間匯流排最初由超大規模運算和電信基礎設施推動，如今正在擴展到機器人、汽車子系統、無人機、電動自行車和電動工具。

Lidow強調：“如果你使用48伏，那麼GaN的表現遙遙領先。”

這一電壓範圍是GaN橫向元件結構同時優於矽MOSFET和碳化矽替代方案的理想工作區間。

EPC已經針對這一電壓範圍，對多代GaN元件進行了策略性最佳化。例如 EPC23XX 系列元件可實現極低的開關損耗，並支援高頻運作，從而顯著縮小被動元件的尺寸。

這一能力直接支援下一代AI伺服器電力傳輸網路，因為在這些系統中，電路板空間和散熱預算正在成為主要限制因素。同時，同樣的架構優勢也適用於需要緊湊、高效率馬達控制級的新型機器人致動平台。

EPC的參考設計用非常具體的工程指標驗證了這一設計思路。 EPC9159 工作於48 V→12 V轉換級，峰值效率約為98%，同時著重實現更高的功率密度。這表明，對EPC而言，這不僅僅是對架構原理圖的理論討論，而是涉及具體電路板級解決方案、具體功率等級和具體效率範圍的實際工程問題。

在48 V下，GaN不僅僅能夠與矽MOSFET競爭，它還能夠實現此前在分散式電源系統中被認為難以實現的全新轉換器功率密度目標。

圖1：EPC9159KIT變壓器模組，尺寸22.8 x 17.5 x 9 mm

殺手級應用原則

每一種顛覆性的半導體技術都需要一個傳統元件無法高效實現的突破性應用。對於GaN而言，第一個主要的大批量應用推動力就是雷射雷達（LiDAR）。

正如Lidow解釋的：“沒有GaN就無法實現的是雷射雷達。能夠極其快速地切換非常大的電流，是其中的關鍵。”

這一能力推動了高解析度感測系統的發展，而這些系統對於自主平台和工業感知系統至關重要。雷射雷達是最早證明GaN具備矽元件無法匹敵能力的應用領域之一。高解析度飛行時間感測需要極快的電流脈衝、精確的時序控制以及極低的開關損耗，而這些條件非常適合橫向GaN元件。

其中一個例子是 EPC2051，這是一款高性能增強型GaN FET，針對汽車和工業雷射雷達平台中的脈衝雷射驅動器等超高速開關環境進行了最佳化。這類元件憑藉極低的寄生電容支援非常高的di/dt轉換，與基於矽的解決方案相比，可實現更遠的探測距離、更高的空間解析度以及更緊湊的驅動器架構。

EPC GaN技術可實現奈秒級開關特性，使設計人員能夠減少脈衝失真並提高系統效率，而這兩個參數可直接轉化為更長的感測距離以及在複雜環境條件下更好的目標辨識能力。

隨著雷射雷達從自動駕駛汽車擴展到機器人感知、工業安全系統以及精密測繪平台，EPC2051等元件繼續證明了為什麼GaN已經成為當今光學感測架構中的關鍵開關技術。

圖2：  EPC9091：100 V、5 A半橋開發板。EPC9091開發板尺寸為2” x 2”，採用兩個 EPC2051 eGaN FET構成半橋配置，並使用uPI Semiconductor Corp.的 uP1966E 閘極驅動器。

太空應用：抗輻射能力成為差異化優勢

對於衛星電源架構，尤其是長期任務和深空平台而言，輻射暴露仍然是一項主要的可靠性限制因素。根據Alex Lidow的說法，GaN的優勢從材料層面就已經開始顯現：

“氮化鎵承受輻射的能力比矽高出多個數量級。”

與傳統矽MOSFET不同，GaN元件並不依賴於會在游離輻射下捕獲電荷的薄閘極氧化層。因此，它消除了影響軌道環境中開關穩定性的一個主要退化機制。

同樣重要的是，GaN對地球大氣層之外遇到的多種輻射類型都表現出很強的耐受能力：

“氮化鎵能夠抵抗高能電子，對質子轟擊的耐受能力遠高於矽，甚至重離子的影響也小得多，因為鎵和氮之間的化學鍵比矽晶體中的化學鍵更強。”

對於現代衛星星座而言，質量、效率和可靠性都會直接影響任務經濟性，而GaN的高頻開關能力還能夠實現更小的磁性元件以及更輕的功率模組。

綜合來看，抗輻射能力與功率密度方面的 優勢解釋了為什麼GaN 正在快速進入主流的太空級電源架構。

AI基礎設施：新的規模化驅動力

人工智慧基礎設施正在迅速成為推動氮化鎵在功率電子領域加速採用的最強驅動力。隨著一代又一代GPU不斷提高運算密度，限制因素已不再只是處理器內部的電晶體擴展，而是處理器外部的電力傳輸。

現代加速器平台要求在不斷縮小的電路板空間內提供大幅提高的電流水準。在這種環境下，開關頻率和效率不再只是漸進式改善，而是成為系統級的關鍵使能因素。

正如Lidow所解釋的：

“功率需求非常巨大，而功率密度方面的要求更加嚴峻。”

傳統矽MOSFET解決方案難以持續達到先進處理器附近緊湊型多相電壓調節模組所需的開關速度。相比之下，GaN能夠實現MHz級開關頻率，縮小被動元件尺寸，並改善AI工作負載快速變化時的瞬態響應。

這一轉變已經在超大規模伺服器架構中顯現。

“我們已經從‘也許矽還能做到’，發展到了現在沒有人能夠再想出矽要如何做到。”

隨著AI機架功率繼續提高，GaN正在從單純的性能升級，逐步成為下一代資料中心電力傳輸網路所必需的平台。

隨著超大規模和AI伺服器向800 V DC配電架構發展，對小型、高效率隔離轉換器的需求也在增加。近期的一種GaN解決方案表明，級聯輸入／輸入串聯輸出並聯（ISOP）架構能夠以高功率密度和可擴展性，將800 V（或±400 V）轉換為50 V、12 V和6 V等低壓電源軌，並可實現MHz級開關和多千瓦功率性能。這款800 V – 12 V設計在初級側採用EPC2305（150 V GaN）元件，在次級側採用EPC2366（840 µΩ GaN）元件。兩者均採用小型QFN封裝。該參考設計的峰值效率超過98%，佔板面積小於5000 mm²，厚度僅為8 mm。

圖3： EPC91123 – 6 kW 800 V至12.5 V ISOP GaN轉換器評估板

機器人：緊湊型電源賦能智慧運動

機器人是氮化鎵技術在長期發展中最具結構性意義的成長驅動力之一。與固定式基礎設施平台不同，移動機器人系統對重量、體積和能源效率都有非常嚴格的限制。

人形機器人內部的每個致動器（例如馬達驅動器）都包含一個本地化功率轉換級，而當數十個關節的影響累積起來時，這些因素就會對整個系統的自主運作能力產生決定性影響。

正如Alex Lidow所指出的：

“一個人形機器人擁有大約40個致動器，而GaN元件不僅能夠提高這些致動器的效率，還可以將其體積縮小到大約十分之一。”

這種縮減絕不是漸進式改善，而是會直接影響電池續航時間、熱管理和機械整合策略。同樣的架構優勢也適用於手術機器人和先進義肢平台，在這些應用中，緊湊的馬達驅動電子系統能夠改善運動精度和響應速度。

隨著機器人平台朝著更高靈巧度和更長工作週期發展，能夠同時實現效率和小型化的開關技術，例如GaN，正逐漸成為致動器設計中的基礎性技術，而不再只是可選方案。

圖4：用於人形機器人的馬達控制解決方案

碳化矽和GaN：互補而非競爭

氮化鎵並不是唯一正在改變功率電子產業的寬能隙半導體。碳化矽也處於類似的採用曲線上，但主要面向更高的電壓等級。

正如Lidow總結的：“在大約650伏以上，碳化矽是更好的解決方案。

這種差異反映了兩種材料在結構上的不同。氮化鎵元件通常採用橫向結構，因此在650 V以下的架構中效率極高，而碳化矽更適合採用垂直導電結構，更適用於牽引逆變器和高壓功率轉換系統。

這兩種技術並非直接競爭，而是在整個電氣化基礎設施中形成各自互補的工作領域。

GaN正在為中間匯流排架構、機器人平台和AI電力傳輸網路提供小型、高頻開關級。

相比之下，碳化矽正在越來越多地取代IGBT，用於大功率汽車牽引系統和電網級功率轉換設備。

兩者共同構成下一代寬能隙功率電子的基礎。

電動出行

氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）都將在電動出行領域發揮重要但不同的作用。現代電動汽車還配備越來越多過去由機械方式驅動的輔助負載，例如空調壓縮機、泵以及其他曾經由引擎皮帶驅動的附件。如今，這些功能正在實現電氣化，並且越來越多地在現代電動平台中標準化採用 48 V 匯流排。

Lidow表示：“48 V領域正是GaN真正發揮優勢的地方。” EPC已經專門針對48 V應用最佳化其GaN元件，而他認為，在48 V功率級中，無論效率、功率密度還是尺寸，GaN都難以被超越。因此，SiC將主導電動汽車中的高壓牽引驅動，而GaN將在48 V輔助系統和功率轉換子系統中佔據越來越大的份額。

剩餘的瓶頸：磁性元件

下一代功率轉換中最重要的限制因素之一，已經不再是半導體元件本身，而是其周圍的被動元件。

隨著開關頻率從數百千赫茲邁向MHz範圍，傳統磁性元件正在成為限制轉換器進一步縮小的因素。正如Lidow所指出的：

“磁性元件是針對數百千赫茲設計的。但使用GaN後，人們希望進入兆赫茲範圍。”

更高的開關頻率可以實現更小的電感器、更低的電容需求、更快的瞬態響應以及顯著更高的功率密度。然而，如果磁性材料和封裝技術不能同步進步，系統設計人員就無法充分利用GaN的性能潛力。

對於被動元件生態系統而言，這並不是一個限制，而是一個重大的創新機會。

超越GaN：未來的寬能隙材料

包括氧化鎵、氮化鋁和鑽石在內的多種新興材料，正在作為潛在的下一代寬能隙平台受到關注。

它們的理論性能極限令人印象深刻，尤其是在超高壓應用方面。然而，僅有材料性能並不足以推動大規模採用。製造基礎設施以及系統級應用價值仍然是決定性因素。

正如Lidow所指出的：“一種新的半導體技術要獲得廣泛應用，仍然需要一個殺手級應用。”

就目前而言，氮化鎵距離其自身的理論極限仍有很大的發展空間。憑藉與矽製造基礎設施的高度相容性，以及在AI、機器人和太空系統中不斷擴大的應用，GaN仍擁有很長的創新發展空間。

給下一代工程師的訊息

技術變革更有利於那些能夠預見變化的工程師，而不是追趕變化的人。Lidow最後總結道：

“不要追隨今天最流行的選擇。去追逐未來。”

這正是氮化鎵所帶來的機會。寬能隙功率轉換正在重塑現代系統中的能源處理方式，從 AI基礎設施 和 機器人 到航空航太電子系統和分散式電氣化平台。

對於今天剛進入這一領域的新一代工程師而言，訊息非常明確：下一波重大影響不會來自漸進式最佳化，而會來自那些能夠實現全新架構的技術選擇。

Maurizio Di Paolo Emilio, Director of Global Marketing Communications at EPC