GaN 與矽:您應該使用哪種功率元件
1 分鐘
- GaN 與矽的基礎知識:
- 詳細比較表:
- GaN 無可匹敵的 4 大要素:
- 矽仍占優勢的領域
- 如何選擇 GaN 或 Si MOSFET
- 結論
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。
持續學習
電容器類型詳解:應用、差異與選型指南
電容器(Capacitor)是電子設計中使用最廣泛的元件之一,從 Input/Output Coupling、Bypass 到 Decoupling Network,幾乎無處不在。 但如果選錯 Capacitor Type 或 Capacitance Value,後果可能包括 Power Rail 出現可聽見的噪音、Bootloader 無法正常啟動,甚至在嚴重的 Overstress 情況下造成電容器損壞。 實際進行 Capacitor Selection 時,最重要的問題通常不是「哪一個品牌最好」,而是: 「這個位置應該使用哪一種電容器?又應該選多大的電容值?」 本文不會花大量篇幅介紹 Dielectric 的教科書理論,而是直接從 PCB Design 與實際 Circuit Application 出發,說明不同 Capacitor Type 適合哪些用途。 Capacitor Types 快速總覽 圖:比較 Ceramic、Electrolytic、Tantalum、Film、Polymer、Supercapacitor 與 Mica Capacitor 的常見 Capacitance ......
薄膜電阻與厚膜電阻:主要差異、優勢與應用
重點整理 大多數一般設計可優先使用厚膜電阻(Thick Film Resistor)。它具有良好的成本效益與耐用性,適合 Pull-Up/Pull-Down、LED 限流、Digital Circuit,以及可能承受 Surge/Pulse 的應用。 當電阻值會直接決定 Analog Quantity,例如 Voltage Divider、Reference Network、Amplifier Gain 或 Current-Sensing Signal Chain 時,則可以優先評估薄膜電阻(Thin Film Resistor)。它具有更嚴格的 Tolerance 與較低的 TCR,有助於維持溫度變化與長期使用下的量測精度。 大多數 PCB Design 都會使用 Thick Film 或 Thin Film Resistor,但如果選錯類型,可能只是在 BOM 上增加不必要的成本;更嚴重時,還可能造成 Measurement Error 與 Temperature Drift。 本文將比較 Thick Film 與 Thin Film Resistor 的主要差異,並透過實際工程數據與應用範例......
如何選擇合適的 STM32 微控制器:比較各系列、Cortex-M 核心與關鍵功能
STMicroelectronics(意法半導體)旗下擁有超過十個系列、數千種 STM32 MCU 型號,而如此龐大的產品陣容,也正是 STM32 Microcontroller Selection(STM32 微控制器選型)最困難的地方。 如果選錯 MCU Family,往往要在專案後期付出代價,例如: BOM Cost 過高 Power Budget 被浪費 Flash/RAM 不足 缺少必要 Peripheral 甚至必須重新設計 PCB 本 STM32 Microcontroller Selection Guide 將選型流程拆解為 6 個實用工程標準,不只看 Datasheet 上的行銷規格,而是從 Performance、Power、Memory、Peripheral、Package 與 Development Ecosystem 出發,協助您選出符合 Embedded System Requirement 的 ARM Cortex-M Microcontroller。 圖:PCB 上的 STM32 Microcontroller,以及 Power、Wireless、Motor Con......
ESP32 完整指南:規格、架構、模組、ESP-IDF、Arduino、系列選型與 IoT、PCB 應用
從支援 Wi-Fi 的溫度感測器、穿戴式健康監測裝置,到工業 Gateway 與 AI Camera,ESP32 Microcontroller 已成為全球廣泛採用的 Wireless Embedded Platform 之一。 ESP32 將高效能 Processor、Wi-Fi 與 Bluetooth 整合在同一平台中,讓工程師不需要額外配置獨立 Network Hardware,就能打造各種 Connected Device。 本指南將完整介紹 ESP32 的規格、Architecture、不同 Family Variant、Development Board、Programming Tool,以及實際 ESP32 Project,作為一篇完整的 ESP32 入門與選型參考。 ESP32 快速重點 由 Espressif Systems(樂鑫科技)開發的 32-bit Microcontroller Family 多數型號內建 Wi-Fi(802.11 b/g/n)與 Bluetooth Classic/BLE,實際功能依型號而異 提供 Dual-Core 與 Single-Core 型號,......
BGA 封裝類型:差異、應用與選型指南
如果您正在搜尋不同的 BGA Package Types(BGA 封裝類型),通常是希望了解哪一種封裝最適合自己的 PCB 設計、效能需求或製造條件。 從 PBGA、CBGA 到 FCBGA,不同 BGA Package 在 Thermal Performance、Cost、Electrical Performance 與 Reliability 方面都有不同取捨。 如果選擇不適合的 BGA 類型,可能造成: PCB Routing 難度增加 HDI/Via Structure 需求提高 SMT Assembly Defect Thermal Management 不足 甚至造成產品可靠度問題 本指南將整理主要 BGA Package Types,比較它們的重要差異,並說明如何依照實際應用選擇適合的 BGA 封裝,降低 PCB 設計與製造階段的風險。 圖:安裝於 High-Density Interconnect(HDI)PCB 上的 Ball Grid Array(BGA)封裝。 BGA Package Types 快速比較 封裝類型 Ball Pitch 範圍 基板材料 典型應用 熱性能 Pl......
電阻器種類完整指南:固定式、可變式、非線性電阻、SMD 與 PCB 選型
當一片電路板需要使用多種不同類型的電阻器時,即使是有經驗的設計人員,也可能在元件選型上感到棘手。先弄清楚您的電路真正需要哪一種電阻器,往往就已經解決了一半的設計問題。 在本指南中,您將了解: 完整的電阻器種類圖表,包括固定式、可變式與非線性電阻器。 如何在碳膜、金屬膜、繞線與金屬箔電阻器之間進行選擇。 什麼情況應使用電位器、熱敏電阻、LDR 或壓敏電阻。 SMD 與通孔電阻器的種類,以及不同安裝方式帶來的成本差異。 如何根據實際應用選擇正確的電阻器類型。 圖:固定式、可變式與非線性電阻器種類圖表 電阻器種類圖表:快速比較 電阻器大致可以分成三大類。 固定式電阻器(Fixed Resistors):具有固定阻值,包括碳質合成、碳膜、金屬膜、金屬氧化膜、厚膜、薄膜、繞線以及金屬箔電阻器。 可變式電阻器(Variable Resistors):可以透過人工方式調整,包括 Potentiometer、Rheostat 與 Trimmer。 非線性電阻器(Non-Linear Resistors):阻值會隨溫度、光照或外加電壓自動改變,例如 Thermistor、LDR 與 Varistor。 以下各節將進......