☰
高壓能效電源轉換整合晶片廠商 Power Integrations 宣布，其獨家 PowiGaN 氮化鎵 (GaN) 技術額定電壓正式提升至 2200 V，大幅超越目前所有商用 GaN 技術的電壓等級。這項里程碑突破，使 GaN 成功跨足過去由碳化矽 (SiC) 主導的高電壓領域，為高壓 AI 資料中心、電動車、再生能源及高壓直流輸電 (HVDC) 等新一代高壓電力系統，提供兼具高效率與高頻切換的全新技術方案。
Power Integrations 總裁暨執行長 Jennifer Lloyd 先前表示，下一代 AI 資料中心已朝向 1500 V 配電架構邁進，電動車電池系統與輔助電源的電壓也持續提升。2200 V PowiGaN 技術不僅提供充足的安全餘裕，更支援高功率密度所需的高切換頻率。Power Integrations強調，力壓 SiC 關鍵在於1 MHz 超高頻與尺寸減半。
另外，長期以來，2 kV 以上的高壓應用皆由 SiC 獨佔。然而，與同等導通電阻的 SiC 元件相比，PowiGaN 擁有更小的輸出電容 (COSS ) 與極低的閘極驅動電荷 (Qg)，大幅降低切換損耗。相較於 SiC 目前量產應用受限於約 250 kHz 的切換頻率，PowiGaN 已證實可在高達 1 MHz 的超高頻率下持續運作。高頻化能顯著縮減電感、變壓器等磁性元件體積，將電源模組尺寸縮小 25% 至 50%，極大化系統功率密度。
PowiGaN 採用獨特的 Cascode 結構，將高壓 D-mode 氮化鎵 HEMT 與成熟的低壓矽 MOSFET 串聯封裝，使整體開關狀態完全由矽 MOSFET 決定。這不僅簡化驅動電路、降低設計複雜度，更帶來極高可靠性。在半橋電路運作的「第三象限」中，傳統增強型 (E-mode) GaN 開關的順向導通壓降高達約 5 V，而 PowiGaN Cascode 僅有約 0.7 V，大幅降低死區時間 (dead time) 的損耗，顯著提升轉換效率。
此外，PowiGaN 採用專利「藍寶石上氮化鎵」(GaN-on-sapphire) 技術。相較於傳統導電矽襯底，不導電的藍寶石能避免熱膨脹係數差異導致的製程裂紋，大幅強化過壓耐受力。自 2018 年推出 750 V 產品以來，PowiGaN 晶片已累計出貨超 2 億顆，實際量產驗證的失效率 (FIT) 小於 1。
Power Integrations 指出，根據測試數據顯示，2200 V PowiGaN 開關的實際崩潰電壓超過 4000 V (4 kV)，為 2200 V 額定電壓提供高達 2000 V 的寬裕安全防護。若遭遇瞬時過壓，只要未超過 4000 V 限度，電壓回落後元件即可自行恢復正常運作，免於傳統矽元件的永久破壞。在動態切換測試中，研發團隊於反馳式 (Flyback) 電路進行連續 20 小時監控，在 1760 V 高壓、1.5 A 電流負載下，導通電阻 (RDS(ON)) 表現極其穩定，完全無電阻飄移，創下業界首度在大於 1500 Vpk 高壓下連續切換的成功示範。
市場分析師表示，AI 資料中心往更高壓匯流排發展正重塑功率半導體市場，預估至 2031 年，全球 GaN 功率元件市場規模將達 35 億美元。2200 V 的推出不僅解決了多顆低壓元件堆疊所造成的電路複雜性，也為高壓單級式電源設計注入全新動能。目前，Power Integrations 首批搭載 2200 V PowiGaN 技術的新產品已在積極研發中。其全球供應鏈佈局亦十分完善，磊晶與晶圓生產主要於日本、德國等精密製造地區進行，研發中心位於美國，後端封裝測試則部署於馬來西亞及中國等亞洲地區，可提供無上限的產能支持。
(首圖來源：pixabay)
