( EPC GaN元件示意圖，圖片來源：EPC-co )
GaN ( 氮化鎵 ) 是一種穩定的寬能隙半導體材料，具有耐酸鹼、耐高溫、良好的導熱效率、較快的開關速度與較低的導通電阻等特性。目前在生活中較常見到的應用是氮化鎵充電器，基於以上的材料特性，可以讓產品實現體積更小、重量更輕，且充電功率的轉換上比起一般的充電器更有優勢。 氮化鎵的應用領域除了剛剛提到的功率元件 ( Power ) 外，早在 1993 年便開始應用於 LED 產業，為的就是氮化鎵的穩定性與更高的耐溫。基於上述的材料特性，氮化鎵的應用涵蓋了微波射頻 ( 例如：5G 的小型基地站 )、汽車領域、消費性電子產品 ( 充電器 )，以下將基於氮化鎵元件於直流無刷馬達上的應用來進行分享。
2.1 氮化鎵的材料特色
氮化鎵是透過搭配矽 ( Si ) 基板或是碳化矽 ( SiC ) 基板長晶技術產出，稱為 “ 異質磊晶 ” 技術，目前市面上可見到的氮化鎵元件主要以矽基氮化鎵 ( GaN-on-Si )，以及碳化矽基氮化鎵 ( GaN-on-SiC ) 兩種元件製造。
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GaN on Si |
GaN on SiC |
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基板名稱 |
矽基氮化鎵 |
碳化矽基氮化鎵 |
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特色 |
1. 異質磊晶 |
1. 異質磊晶 |
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應用領域 |
1. RF 射頻元件 |
1. 5G 基地台 |
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劣勢 |
磊晶層與基板間熱膨脹係數不同，晶格不匹配的程度比 GaN on SiC 大 |
1. 技術門檻較高 |
而我們在生活中常聽見的氮化鎵應用，例如：RF射頻元件、Power GaN ( 電源轉換器、整流器 )，大多採用矽基氮化鎵技術，因為碳化矽基板製造難度較高，成本相對較高。
2.2 氮化鎵於直流刷馬達上的應用與優勢
氮化鎵元件使用在直流無刷馬達或是永磁同步馬達的應用上來說有兩大優勢，分別是高效率與體積小。 氮化鎵的開關速度非常快，以 EPC ( Efficient Power Conversion, 宜普電源轉換 ) 的產品為例，能支援到3MHz 的開關頻率，這個開關速率對 AC-DC 和 DC-DC 轉換器是一個重要的參考點，但對於市面上常見的直流無刷、永磁同步馬達應用來說，開關的切換頻率太快反而沒辦法帶來太明顯的效率優化，同時 EMI, 諧波…等問題則會明顯地浮出，所以控制dV/dt ( 開關瞬態過程中，漏極－源極電壓的變化率 ) 就顯得十分重要，對此 EPC 提供了成熟的參考設計，在使用氮化鎵元件取代傳統 Si MOSFET 來實現直流無刷馬達應用時，開關頻率可選擇 20KHz ~ 250KHz，透過氮化鎵的材料特性來實現馬達驅動可以有效減少切換損失、提高效率，若是將氮化鎵功率元件設計在使用電池供電的產品上，則可以提升續航力。
介紹到這邊不得不提一下 “ Ciss ( 輸入功率電容 ) ”，是指閘極-汲極間電容Cgd和閘極-源極間電容Cgs之和。在使用功率元件 ( Si MOSFET or GaN ) 都需要驅動這顆電容，來讓元件開關，因此Ciss是討論輸入功率元件驅動能力或損失時的參數。相較於 Si MOSFET 的Ciss氮化鎵元件的 Ciss 較小 ，所以在驅動電流的需求上也相對來的更小，這也是氮化鎵元件開關頻率可以這麼快的原因。 氮化鎵產品在馬達應用上的另一個優勢就是氮化鎵元件的單位體積小，同時因為氮化鎵元件的效率較好，工作溫度較低，可以在馬達驅動電路設計上，也縮小散熱片或相關散熱機制的空間需求，進而實現產品小型化的目的。
2.3 EPC基於氮化鎵元件的馬達驅動方案
( EPC 馬達參考設計，圖片來源：EPC-co )
EPC ( Efficient Power Conversion, 宜普電源轉換 ) 在氮化鎵產品上深耕已久，提供了許多直流無刷馬達的參考設計，從400W~1000W都有提供成熟的驅動技術供開發者選擇，適用於各式直流無刷馬達應用，例如：機器人、無人機、E-Bike…等。
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Kevin ( Kevin.Hong@wpi-group.com )
Ethan ( ethanhc.yang@wpi-group.com )
三、參考資料
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