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在ESG、净零碳排等风潮下，节能减碳已经是全球共识，企业必须在降低碳足迹、节约能源使用上，投注更多心力。同时电源应用因应小型产品需要轻薄化，以及大型产品讲求电源供应稳定两大趋势发展。其中，GaN的材料特性不只能协助电动车电池实现高压设计，还能透过小尺寸封装，缩小电源IC尺寸。
随著电源应用开枝散叶，电源量测也从传统的电流、电压测试，发展出依据应用情境的测试需求，因此产品开发人员需要选择适合的仪器与测试平台，以获得精准的量测结果。高阶的工业设备方面，针对电源系统产生多样化且耐受严苛环境的需求，因此设备供应商採用高功率密度元件，同时增加设备的操作温度范围与耐震程度，以满足高阶的工业设备需求。
GaN电源高效精巧
电子产品的外型朝著更加轻、薄、短、小的方向发展，因此功率元件的尺寸也必须缩小，以符合未来的产品开发趋势。Nexperia GaN首席工程师丁一峰(图1)认为，功率元件供应商的目标，便是试图在更小的封装中提升元件的功率密度。
图1 Nexperia GaN首席工程师丁一峰认为，功率元件供应商的目标，便是试图在更小的封装中提升元件的功率密度
例如MOSFET过去标准的封装为5×6mm，现阶段则有厂商积极在同样的功率等级下，发展3×3mm的封装设计，期望能够提升产品的功率密度。通讯应用的功率元件封装则重视可靠度，不论有线或无线的传输，都需要确保装置的可靠性，藉此强化电子产品的稳定性，避免装置产生瞬间短路等现象。
以Nexperia的GaN大功率产品为例，目前发展12×12mm的系统封装，其优势在于能够减少产品的体积、获得更良好的导热系数，同时该封装採用SMT封装，并且可以透过机器打线，可以有效缩小功率产品的体积。
电源IC透过高度整合增加功率密度
安驰科技ADI产品线应用工程专案经理李景升(图2)说明，高密度的电源需要具备的特质包含能够输出大功率电流，同时产品能够在缩小体积的同时增加电流，以便提升功率密度。为了达成高功率密度的目标，厂商如ADI採用单片(Monolithic)、多输出电源管理IC(PMIC)，以及结合电感器(Inductor)的单晶片三种形式，开发功率密度较高的产品。其中，Monolithic即是整合MOSFET与其他功率半导体元件，开发成半成品，只要依照需求加上电感和电容，半成品便能成为完整的Dc to DC模组。同时针对不同的功能需求，ADI推出不同规格的多组输入IC，单一晶片即可产生多种的电源，包含一对二、一对三、一对六或一对八等等。针对电源转换的需求，厂商可以在单一IC中整合电感及部分作业元件，开发较不易蓄热，且电源效率高的产品。
图2 安驰科技ADI产品线应用工程专案经理李景升指出，透过Monolithic、多输出PMIC、结合电感器的单晶片开发功率密度较高的产品
电源量测需求多元化
不论消费型、工业用等电子产品，包含智慧型手机、穿戴装置、机器人、笔电、电动车，涵盖低耗电到高耗电的产品种类繁多，产品开发的过程与电源测试便高度相关。品勋科技技术经理曾国钧(图3)分析，传统的电源量测，大多只需要测量电压是否稳定输出，以及电流能否正常供应。但是随著产品的多元化发展，电源应用走向两个极端方向，一是小尺寸、低耗电、低成本的应用需求，量测时就需要确认电源的功耗及续航力，大型产品则重视稳定的电源供应。所以面对不同的产品开发细节，开发人员须採用不同的测试步骤，电源设计才能符合产品的应用场景。
图3 品勋科技技术经理曾国钧表示，电源量测需要依照产品的应用情境，执行特定的模式测试
依照多元产品量测相应的电源设计，首先仍需要确认电压稳定。产品开发初期，在实验室裡只需要准备一台提供电力的设备，对应产品需要的电压，就能执行测试与研发工作。但是当产品进入产线上量产时，便会透过产品抽测，确保产品出货后仍维持稳定。面对大量产品的测试需求，工程师便需要更大的电源供应设备，同时执行特定的模式测试，因此需要选择适合的供电设备，以及功能完整、测试弹性足够的平台，才能在产品数量多，且未来产品可能不断更新的情况下，顺利完成产品的电源测试。
先进设备首重电源稳定
工业领域中，高阶产业设备的供电系统发展，包含半导体设备、新能源设备、工业高阶设备，共同面对电源设计的新兴需求与挑战。台达电产品管理主任工程师张书毫(图4)观察，高阶的工业设备因为种类繁多，必须满足不同的电压输出需求，同时高阶应用重视稳定性，因此设备的电源系统需要齐全的保护设计。上述应用领域的设备电源安装还要提高空间利用，也就是设备的电源设计必须具备较高的功率密度，再加上现阶段企业关注ESG议题，因此设备也要符合节能考量，以达到企业所希望的ESG目标，并且透过减少电费来降低营运成本。
图4 台达电产品管理主任工程师张书毫分析，半导体设备的电源系统需求朝向多样化发展
因此厂商如台达电针对产业需求，整理出高阶工业设备的工程规格。在降低发电与设计成本方面，採用高效率薄型化的电源设计，提供高密度的功率元件外，小尺寸则能增加客户设计产品的弹性，保留更多的空间来应用于客户产品的系统升级。考量部分的工业应用场景可能出现震动或高温等严苛环境，因此设备供应商透过强化产品，来避免设备因为震动导致电源损坏而停止运作，同时提高设备的操作温度范围，以及採用寿命较长的零件， 确保设备在严苛环境中，仍然维持高稳定性的运作。
GaN实现电动车电池高压设计
半导体应用有助于达成全球的节能目标，其中化合物半导体，如GaN的材料特性，在电动车朝向高电压设计的趋势下，比硅基的IGBT更具优势。工研院电光系统所/EOSL感知运算晶片系统组组长庄凯翔(图5)指出，分析半导体材料在能源方面的应用，硅的使用范围较广，但是如果在特定领域，例如高功率应用，以及为了提高产品设计弹性而将功率元件缩小，功率元件需要提高运作速度，而运作速度受到不同半导体材料特性的影响，硅皆有其限制。例如1000V以上的高压或者手机传送无线电波等射频应用，考量功耗等方面的需求，硅不是最适合的半导体材料，这时便需要考虑採用化合物半导体，也就是SiC与GaN。
图5 工研院电光系统所/EOSL感知运算晶片系统组组长庄凯翔表示，GaN的材料特性有助于实现电动车电池的高压设计
以电动车为例，电动车普及之后，充电方面就需要解决现阶段充电速度过慢的问题，因此未来的电动车车款，除了基本的动力需求，电池的电压会持续增加，以便在同样功率下，将电压提升、电流降低，缩短充电的所需的时间。已有高阶车款採用800V的系统，现在多数电动车虽然以300V的电压为主，但是在可预期的未来，电动车电池会朝800V设计。由于GaN先天的耐压特性较硅佳且损耗更低，加上电动车的电力系统不只要运作，还需要移动，所以除了提高能源效率，车体如果过重就会更加耗能，所以电动车的电源设计必须兼顾省电、轻盈、小尺寸，而GaN都能满足上述的设计需求，为电源设计带来新的机会。
提高功率密度是现阶段功率元件设计的主要趋势，厂商在产品开发的思维以高度整合的IC切入，尽可能在维持效能的同时，缩小功率元件的尺寸。电动车则因为快充需求，电池电压不断提高，而GaN的材料轻薄与耐压的特性，便为次世代高功率产品带来新的设计可能性。产品量测则因应多元化的电源需求，发展出针对产品量产环境情境设计的量测方案。另一方面，设备供应商分析高阶工业对于设备多样性、供电稳定的共同需求，强化设备的电源系统稳定性。
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