英飛凌實現GaN技術突破——單片高壓CoolGaN BDS大幅簡化雙向開關設計GaN
受到低碳可持續(xù)發(fā)展和AI兩大需求方向推動，全球功率半導體市場正在飛速增長，預計到2026年將達到262億美元市場規(guī)模。傳統(tǒng)的硅基設備（包括整流器、晶閘管、雙極型晶體管、X-FET如MOSFET、JFET等、IGBT模塊及IPM）在某些應用中會有所增長，但在其他市場正逐步被寬帶隙（WBG）技術產品所取代。氮化鎵（GaN）預計會快速增長，目前主要應用在消費電子領域，但將逐步進入工業(yè)和汽車領域。碳化硅（SiC）則將繼續(xù)在高功率汽車和工業(yè)應用中保持增長并擴大滲透率。具體市場估值方面，到2026年，GaN HEMTs（高電子遷移率晶體管），包括分立器件和集成器件，市場規(guī)模約為10億美元；SiC MOSFETs和二極管，包括分立器件和模塊，市場規(guī)模約為30億美元。
作為全球功率半導體領域的龍頭企業(yè)之一，英飛凌已經在寬禁帶方面布局已久，并取得卓越成就。在近日的2024上海慕尼黑電子展上，英飛凌還首次舉辦了“2024英飛凌寬禁帶論壇”，介紹了其在SiC和GaN領域的技術突破。同時在展會期間還舉辦了一場專門的氮化鎵新品媒體溝通會，在會上分享了通過去年對于GaN System的收購，英飛凌迅速實現了產品品類的拓展等相關信息。
目前英飛凌在GaN相關的產品系列已經拓寬至5大類，包括CoolGaNTM Transistor（即原來的Discrete，單管類型產品）、CoolGaNTM BDS（雙向開關）、CoolGaNTM Smart Sense（包含電流檢測或其他智能功能）、CoolGaNTM Drive（集成驅動）、CoolGaNTM Control。
“在成功收購GaN Systems之后，英飛凌的IP儲量獲得了顯著提升?！庇w凌科技大中華區(qū)消費、計算與通訊業(yè)務市場總監(jiān)程文濤在媒體溝通會上說到。
據悉，在CoolGaNTM Transistor方面英飛凌提供了電壓驅動和電流驅動兩種技術的分立器件，而且全部的CoolGaNTM Transistor都采用了貼片封裝的形式，從而將快速材料的特性發(fā)揮的更好。其中在高壓領域，英飛凌推出了全新CoolGaN? 晶體管 700 V G4產品系列，與市場上的其他氮化鎵（GaN）產品相比，該系列晶體管的輸入和輸出性能優(yōu)化了20%。此外，憑借具有850 V業(yè)界最高瞬態(tài)電壓的700 V E模式，它們能夠更好地抵御用戶環(huán)境中的異常情況（例如電壓峰值），提高整個系統(tǒng)的可靠性。而在中壓領域，全新系列是CoolGaN? G3中壓器件，覆蓋了60 V、80 V、100 V和120 V的CoolGaNTM晶體管電壓等級。
CoolGaNTM BDS：單片實現完美的雙邊開關，大幅簡化設計和成本
所謂BDS即雙向開關，而英飛凌的突破在于通過單芯片實現了完美的雙邊開關功能，從而大幅簡化了客戶傳統(tǒng)的雙邊開關復雜電路設計，并大幅提升了性能和優(yōu)化成本。該系列的目標應用包括移動設備 USB 端口、電池管理系統(tǒng)、逆變器和整流器等。
據悉，CoolGaN? BDS的高壓系列包括650V和850V兩個型號，采用真正的常閉單片雙向開關，提供了四種工作模式。該系列半導體器件基于柵極注入晶體管 (GIT) 技術，擁有兩個帶有襯底終端和獨立隔離控制的分立柵極。它們利用相同的漂移區(qū)阻斷兩個方向的電壓，即便在重復短路的情況下也具備出色的性能，并且通過使用一個BDS代替四個傳統(tǒng)晶體管，可提高效率、密度和可靠性，使應用能夠從中受益并大幅節(jié)約成本。
而CoolGaN? BDS的中壓器件的電壓等級為40 V，是一款基于英飛凌肖特基柵極氮化鎵自主技術的常閉單片雙向開關。它能阻斷兩個方向的電壓，并且通過單柵極共源極的設計進行了優(yōu)化，以取代電池供電消費產品中用作斷開開關的背對背 MOSFET。
據程文濤分享，當前越來越多的拓撲結構中需要一個理想的開關——即兩邊都能關斷并且打開，同時開關速度還要特別快。傳統(tǒng)的方式是通過兩個Si MOSFET采用背靠背的方式去做，如果整個設計中需要導通的RDS（ON）達到10mΩ，那么兩個Si MOSFET就要選擇兩顆更高規(guī)格的5mΩ RDS（ON）并聯起來，才能夠實現這樣的設計目標。但CoolGaN? BDS的出現，改變了這個游戲的規(guī)則。直接通過一顆CoolGaN? BDS就可以實現之前四顆芯片才能完成的功能，這大幅優(yōu)化了該設計的面積和成本，并且?guī)砹烁叩拈_關頻率。
CoolGaN? BDS的應用場景包括服務器中的母板和UPS、消費電子中的OVP和USB-OTG、儲能系統(tǒng)以及電動工具中的電池管理等。據悉，高壓CoolGaN? BDS在單相 H4 PFC 和 HERIC 逆變器以及三相 Vienna 整流器中，通過替代背對背開關優(yōu)化了整體電路性能。其它的應用包括 AC/DC 或 DC/AC 拓撲中的單級交流電源轉換。而中壓CoolGaN? BDS與背對背 Si FET 設計相比，可節(jié)省 50% 至 75% 的 PCB 面積，并將功耗降低 50% 以上。
“在目前的市場中，英飛凌是第一家做出高壓BDS的廠商，高壓大功率BDS的應用場景還包括在很多大功率的電池管理，電動工具，還有一些儲能、光伏、服務器等領域中。”程文濤表示。
集成電流感應的CoolGaNTM Smart Sense
除了CoolGaN? BDS外，英飛凌還推出了全新的CoolGaNTM Smart Sense系列。該系列是通過芯片自身溝槽實現電流檢測，這一概念在MOS管技術中已有應用，但主要用于低壓溝槽型MOS。在實際應用中，目前市場上采用該技術的產品并不多。然而，氮化鎵材料在許多應用場景中非常需要內含電流檢測功能，據程文濤分享，原因有二：
· 無損檢測：該材料通過提取溝槽中的電流進行采樣，由于加工元器件時多個晶胞并聯使用，晶胞之間需要高度鏡像匹配。因此，可以選取幾個電芯，將信號放大。這種方式類似于模擬電子中的鏡像電流源，通過選取幾個電芯的電流信號進行放大，鏡像放大其他溝槽的總功率電流。與傳統(tǒng)的串聯減流電阻方法相比，內含電流檢測具有顯著優(yōu)勢：無損檢測，并且由于氮化鎵材料開關速度極快，外部取電流的方法會產生額外的感生電動勢和巨大的雜訊，進而導致器件應用問題。
· 應用優(yōu)勢：在氮化鎵的應用中，內含電流檢測不僅提高了安全性，還避免了為電流檢測付出額外的噪聲和效率損失。這種技術對于確保器件的可靠性和高效性至關重要。
此外，值得一提的是，CoolGaNTM Smart Sense 產品具有 2 kV 靜電放電耐受能力，可連接到控制器電流感應以實現峰值電流控制和過流保護。電流檢測響應時間約為 200 ns，等于或小于普通控制器的消隱時間，具有極高的兼容性。
與傳統(tǒng)的 150mΩ GaN 晶體管相比，CoolGaN? Smart Sense 產品在 RDSs(on) （例如 350 mΩ）更高的情況下，能以更低的成本提供類似的效率和熱性 能。此外，這些器件與英飛凌的分立 CoolGaN? 封裝腳位兼容，無需進行布局返工和 PCB 重焊，進一步方便了使用英飛凌 GaN 器件的設計。
集成驅動的CoolGaNTM Drive
在GaN的開發(fā)過程中，門極驅動設計對用戶和市場來說一直是一個難題。時至今日，以電壓型驅動為代表的技術路線依然面臨這一挑戰(zhàn)。據程文濤介紹，“電壓型驅動有一個特點，需要把它開通到大概5-6V，但不能超過7V，超過7V門極會損害，留給設計者的設計余量就是1V左右，從完全開通到保證它不損壞，大概只能有1V余量，這對設計者難度很大。“
如何解決這個問題呢？許多公司選擇將驅動器與器件集成在一個封裝內，這樣既能高效驅動器件，又能確保其安全可靠使用。英飛凌的CoolGaN? Drive就是這樣的產品。
這種集成方法的優(yōu)勢在于，無需為了驅動氮化鎵器件而降低偏置電壓。例如，原來使用硅器件時，驅動電壓設置為10V或更高，現在通過CoolGaN? Drive，可以使用相同的偏置電壓驅動氮化鎵器件，而不必強行降低電壓。這使得CoolGaN? Drive的使用簡單且高效，極大簡化了用戶的應用過程。
據英飛凌科技大中華區(qū)消費、計算與通訊業(yè)務高級首席工程師宋清亮介紹，集成驅動GaN具有三大優(yōu)勢：首先，對于用戶而言操作簡單許多。第二，因為現在電源以及各類功率設備的發(fā)展都是高功率密度化，越做越小，就需要器件在PCB上要減小尺寸，這種集成化可以大大減小外圍貼片的數量，讓PCB做的更小，這樣集成度會更高。第三，在成本上也會有優(yōu)勢，因為畢竟原來是兩個器件再加外圍器件，如果把它集成在一起，長期來看，或者相同使用量的情況下，集成的對客戶來說物料成本會比原來分立的方案更有優(yōu)勢?！八詮倪@幾點來說，集成是未來一個非常重要的發(fā)展方向，甚至在很多領域如果不集成，就很難有應用的場景?！?
英飛凌的GaN策略：產品布局拓寬，擴產降低成本
在去年英飛凌成功收購GaN Systems后，通過雙方在知識產權、對應用的深刻理解等方面優(yōu)勢互補，進一步鞏固了英飛凌在氮化鎵領域的市場領導地位，在現有市場中保持競爭優(yōu)勢，同時為未來的發(fā)展搶占先機。而另一方面，GaN的產能和可靠性也是其制勝的關鍵。據悉，英飛凌新一代高壓和中壓CoolGaN系列完全采用8英寸工藝制造，證明了GaN在更大晶圓直徑上的快速擴展能力。
隨著GaN的成本降低和高壓技術的發(fā)展，以及來自客戶的接受度提高，可以預見在未來的數據中心、汽車、工業(yè)等領域見到更多的GaN應用。在我們看來，英飛凌一直以自身強大且先進的半導體產品和解決方案著長，而此次對于GaN相應產品種類的拓寬，不僅能夠加強英飛凌在GaN領域提供整體解決方案的能力，也會助力于其它產品線的銷售。
下載文檔
