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揭开GaN的力量：理解电路拓朴在设计中的重要性

从 IC 之父 Jack Kilby 在德州仪器发明世上第一颗积体电路，到现在已过了 65 年，而这项科技已经成为我们的日常，并且还在不断进步。德州仪器不仅是积体电路的先驱者，更长期投资氮化鎵 （GaN） 的电源应用，例如资料中心伺服器电源、再生能源、或是小体积的电源供应器等，开发许多独创的电路结构。在已到来的次世代半导体浪潮中，德州仪器早已站稳了脚步，成为高压半导体领域的领导者。

氮化鎵作为新材料的崛起，已成为充电领域的新宠，甚至打败了传统的硅 （Si） 基充电头。然而，要充分发挥氮化鎵的潜力，需要量身定制相对应的策略和战术。

何谓电路拓朴?电路设计要考量什么?

拓朴电路是氮化鎵最好的后勤部队，能让它发挥 100% 的力量。但这个拓朴电路又是什么呢?

先来谈一下比较陌生的名词“拓朴”。拓朴是几何学中重要的概念，主要在研究物体在连续变化下时的不变性质。举个数学家最爱的例子，就是研究如何把一个带手把的马克杯变成甜甜圈。这是什么鬼题目?这就像问炭治郎什么时候要开 5 档，八竿子打不着吧?但对数学家来说，这个题目是可能的，因为带手把的马克杯和甜甜圈有个共通特征，就是有一个洞!只要有这个共同特征，我们确实就可以透过一系列的数学运算，将马克杯变成甜甜圈。

在拓朴学中，有一个手把的马克杯和甜甜圈是相同的。图/wikimedia

举例来说，漫威电影中班纳博士变身成浩克，如果希望浩克的身上能看得出班纳博士的影子，就必须用拓朴学先将班纳博士的五官这些“特征”定位好，制作成大家常看到有如网格的 3D 建模，变身成浩克时才不会整个走钟（台语），脸部比例乱成一团。没错，拓朴解决的，是在两种形状间切换时，这些特征与图案的比例不会随便乱跑，成为四不像的东西。

用拓朴学先将班纳博士的特征定位好，制作成大家常看到有如网格的 3D 建模。出处：tutsplus

回到我们的氮化鎵电路，难道我们要利用拓朴学，把电路板的形状变成一个甜甜圈或是浩克吗?当然不是，这边指的是用更少的元件、更低的延迟与漏电的设计，把相同功能的电路重新改写配置。

简单来说，电路拓朴就像是电路板上的蓝图，告诉我们如何把各种电子元件，比如电阻、电容、电感、电晶体等组织在一起，来完成我们想要的任务。

每种电路拓朴都有它的优点和适用的场合。例如，Buck转换器可以将输入的电压降低，适合用在需要较低电压的应用上。Boost转换器则可以提升电压，适合用在需要较高电压的应用上。LLC转换器具有高效率和宽输入电压范围的特性，适合用在需要高效率和灵活性的应用上。PFC（Power Factor Correction）则是一种用来提高电源效率的技术，它可以使输入电流与电压同步，减少能量损失等等。

Boost转换器。出处：德州仪器

Buck转换器。出处：德州仪器

然而，这些都是以硅为主的拓朴电路，为了充分发挥氮化鎵百分之百的潜力，我们不能仅仅依赖传统的电路设计方法和拓朴，而是要重新塑造!

GaN+电路拓朴=最强?

那么，我们要如何重新塑造才能全部发挥 GaN 的实力呢?让我们以一种常见的电路拓朴—功率因数校正 PFC 为例。

PFC，是电路中的交通指挥，负责将电路中电流与电压同步，以达到最佳的效率。在电讯号经过漫长电路之后，常常导致输出的电流与电压波形出现时间差，不再同步。我们知道功率等于电压乘以电流，因此两者好好配合，才能发挥最大效益，如果两者没有同步，就会降低整体电路的有效功率。

高功率因数。出处：wikimedia

低功率因数。出处：wikimedia

PFC 功率因数修正电路，现在看到在做的事情，就是让它们好好同步，降低无谓的能量浪费。目前世界各地许多法规都直接要求在电路中加入 PFC，提升用电效率。

那么问题来了，同样是 PFC 电路拓朴，现在我们有两种设计，下方的图 1-双升压 PFC，跟下方图 2-图腾柱 PFC。

图 1、双升压 PFC。出处：德州仪器

图 2、无桥接式图腾柱 PFC。出处：德州仪器

依照我们希望体积尽可能小的需求，直觉来说你要选哪一个呢?

当然是图 2，因为他看起来比较简单嘛。可惜的是，市面上大多硅基半导体的 PFC，都是选择图 1 方案。因为图 2 方案的简约设计，前提是关键的二极体必须具备低的“反向恢复时间”。

所谓反向恢复时间，指的是电晶体在电源切断的瞬间，电晶体内仍有残留电荷，会反向放电，造成电路阻塞。而硅基半导体过长的反向恢复时间，会导致电源损耗上升。反之，氮化鎵因为反向恢复时间为零，可以完全适应高效的图腾柱 PFC。

这边提到的 PFC 只是氮化鎵的其中一种运用，别忘了，除了零反向恢复时间外，它还有着能承受高电压与高温的特性，再加上低漏电率的关键被动技能，在目前的半导体战场上，可说是最强的挑战者。未来在各种电源供应器上，应该很快都能看见它的身影。

当然，讲到这边，都仅止在题本作答。在实际的晶片设计中，各元件间的距离与电路安排，都需要经过多次的试验和调整，才能找到最适合的电路拓朴和元件配置，而这也正是德州仪器所擅长的领域。

德州仪器设计出的电源供应器，已经遍布全世界的重要设备中。除了提供高效的能源供应，节省下的能源，也直接减少了许多碳排。根据估计，对一个 100 MW 的资料中心来说，换上 GaN FET 之后，就算只有提升 0.8% 的效率增益，在 10 年内就能节省多达 700 万美元的能源成本。尤其在 AI、量子电脑等科技发展蓬勃的现在，在“节流”这一块的投资，真的非常重要!

看到这锂，如果你也想训练这个“黑科技”氮化鎵，打造更强的电路、为世界的节能贡献一份心力。或甚至像 IC 之父 Jack Kilby 那样，发展全新的电路架构，做出足以改变世界的创举，德州仪器欢迎所有热血人才加入，一起来改变世界吧!