GaN 與矽：您應該使用哪種功率元件

最初發布於 Mar 06, 2026, 更新於 Mar 27, 2026

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你聽過 GaN 嗎？它現在相當熱門。並不是因為它是另一種省電技術，而是因為當今電子產品正朝小型化邁進，我們需要體積更小、卻能處理更大電流與功率、同時發熱更少的電源供應器。這一切都要歸功於採用 SMT 封裝的 GaN MOSFET。許多新創公司抓住這個概念，將其導入小型手機與筆電充電器，並創造了可觀營收。如今，由於技術尚未完全成熟，大型企業也開始投入研發，推出自家 OEM 充電器。這是電力電子產業的一場革命。本文將比較這些元件與矽元件的效率，並說明它們如何取代舊技術。

GaN 與矽的基礎知識：

矽（Si）：我們已使用矽近 50 年，技術相當成熟且應用廣泛。然而，它受材料本身特性限制，例如崩潰電場較低、電子遷移率較差。矽可承受極高電壓（IGBT 可達 1700 V 甚至 6500 V）與大電流，但代價是切換速度較慢。

閘極電荷（Qg）高於 GaN。
輸出電容（Coss）較大，導致切換損耗增加。
崩潰電壓與熱性能受限。

GaN（氮化鎵）：寬能隙半導體，具備更高的電子遷移率與臨界電場強度。遷移率高代表電子速度更快，臨界場強高則可在損壞或崩潰前承受更高電壓。然而，此技術尚未完全成熟，目前多應用於 600 V–900 V 區間。

在更高電壓下運作，導通與切換損耗更低。
可支援更高切換速度（達數 MHz）。
Qg 與 Coss 較低，寄生損耗更少。

詳細比較表：

GaN 無可匹敵的 4 大要素：

1. 更高切換頻率

GaN 元件可在 1 MHz 以上運作，使電感與變壓器體積更小，直接降低成本。高頻下 PCB 材料也需隨之改變。

2. 無反向恢復損耗

與傳統 MOSFET 不同，GaN FET 在結構上沒有本體二極體，因此反向恢復電荷（Qrr）為零，徹底消除反向導通時的切換損耗。

3. 更低的導通與切換損耗

GaN 的 RDS(on) 更低、邊緣速率更快（達 150 V/ns），在某些 PFC 設計中損耗可比矽 MOSFET 降低 82%。

4. 系統更小、更涼爽

損耗降低意味著發熱更少，可使用更小的散熱片，冷卻系統也更輕巧。

矽仍占優勢的領域

儘管 GaN 性能出色，矽 MOSFET 在以下情境仍具意義：

成本敏感設計
切換頻率 <100 kHz 的應用
極高電壓設計（>600 V）

矽技術成熟、易於理解且供應鏈完整。下方提供選擇指南，協助您做出設計決策。

如何選擇 GaN 或 Si MOSFET

決定使用哪種元件時，請考量：

功率等級 – 負載低於 10 kW 時 GaN 為理想選擇，否則低成本與低頻需求可選矽。
切換頻率 – GaN 的高速度對手持遊戲機與充電器等小型設計極具價值。
熱管理 – GaN 損耗低，散熱需求小，再次指向小型化。
預算 – 矽初期成本較低，但 GaN 可降低系統級成本，如冷卻、變壓器與驅動器。

無論選擇 GaN 或矽，PCB 品質仍是性能基石。因此許多工程師在測試兩種技術時，都選用 JLCPCB 進行可靠且高性價比的 PCB 製造。

結論

我們已詳細比較兩種技術；GaN 的出現標誌著電力電子設計的重大躍進。矽 MOSFET 在成本導向與低頻設計中仍是穩健選擇，但 GaN FET 提供高頻運作與體積縮小，使其更適用於可攜式電源設備。透過 GaN/Si 選擇指南，您可做出合適的設計決策。隨著未來 GaN 製程規模擴大，成本將下降，進而與矽 MOSFET 競爭。