新的電源轉(zhuǎn)換標(biāo)桿：英飛凌CoolGaN可圈可點

 半導(dǎo)體行業(yè)在摩爾定律的“魔咒”下已經(jīng)狂奔了50多年，一路上挾風(fēng)帶雨雷厲風(fēng)行。不過隨著半導(dǎo)體工藝的特征尺寸日益逼近理論極限，摩爾定律對半導(dǎo)體行業(yè)的加速度已經(jīng)明顯放緩。未來半導(dǎo)體技術(shù)的提升需要探尋新的研究方向，尋找硅(Si)以外新一代的半導(dǎo)體材料，也就成了一個重要方向。在這個過程中，氮化鎵(GaN)近年來作為一個高頻詞匯，進(jìn)入了人們的視野，GaN(氮化鎵)材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點。

全球半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者英飛凌這幾年一直走在時代的前列，2018年11月28日英飛凌更是在深圳首次召開了CoolGaN氮化鎵的媒體新品發(fā)布會，并帶來了已經(jīng)量產(chǎn)的好消息，且已經(jīng)有合作公司成功設(shè)計了一款基于GaN的6KW ACDC電源。“至此，英飛凌是市場上唯一一家提供涵蓋硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等材料的全系列功率產(chǎn)品的公司”英飛凌大中華區(qū)副總裁、電源管理及多元化市場事業(yè)部負(fù)責(zé)人潘大偉講到。

圖1：英飛凌大中華區(qū)副總裁、電源管理及多元化市場事業(yè)部負(fù)責(zé)人潘大偉

英飛凌的CoolGaN有哪些可圈可點之處?

“英飛凌是唯一一家掌握所有高壓電源技術(shù)的企業(yè)，像大家比較熟悉的CoolMOS、IGBT、CoolGaN、CoolSiC等等英飛凌都有。CoolGaN是英飛凌氮化鎵(GaN)增強(qiáng)模式高電子遷移率晶體管(E-HEMT)產(chǎn)品系列。CoolGaN非常適合高壓下運行更高頻率的開關(guān)，它可以將整個系統(tǒng)的成本降低，可以做到更輕薄設(shè)計、功率密度擴(kuò)展，使轉(zhuǎn)換效率大大地提高，這是CoolGaN最大的好處”英飛凌科技奧地利股份有限公司電源管理與多元化事業(yè)部資深市場營銷經(jīng)理鄧巍博士講到。

圖2：英飛凌科技奧地利股份有限公司電源管理與多元化事業(yè)部資深市場營銷經(jīng)理鄧巍

圈點一：獨一無二的常閉式概念解決方案。無論是在硅，還是其他器件上大家已經(jīng)熟悉了常關(guān)型的理念，但是氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體器件，如果不在柵極做任何的電壓動作的話，它中間有一個二維電子器的層，中間會有電子在中間流動。這時候如果GaN也做常開型器件處理，則很難被客戶所應(yīng)用和接受，因此英飛凌在柵極加了P-，做出了一個市場比較容易理解的常關(guān)型器件。

圖3：英飛凌常閉性氮化鎵的結(jié)構(gòu)原理圖

氮化鎵有一個業(yè)界比較棘手的問題叫做動態(tài)RDS(ON)，第一個P-的引入，使得動態(tài)RDS(ON)有很多電子在開關(guān)的時候被漏級的電子陷在里面不流通，但是將另一個P-放在后面之后，就可以把表面的電子中和掉，從技術(shù)的根本上解決了動態(tài)RDS(ON)問題。

圈點二：貼片式(SMD)封裝保持了氮化鎵的優(yōu)勢。眾所周知氮化鎵在高頻情況下能夠無損耗地進(jìn)行開關(guān)，為了不在封裝環(huán)節(jié)抹殺掉其獨特的優(yōu)勢，英飛凌引入了貼片式封裝，貼片式封裝的優(yōu)勢在于進(jìn)深參數(shù)比較小，可以最大效率地發(fā)揮其優(yōu)勢，英飛凌可以根據(jù)散熱性能和體積尺寸的不同提供不同封裝的產(chǎn)品。

圖4：適用于CoolGaN™ 冷卻原理的貼片式(SMD)封裝

圈點三：CoolGaN™ 制造，英飛凌具備完整的價值鏈。英飛凌氮化鎵制造總部慕尼黑；奧地利維拉赫是非常重要的氮化鎵的研發(fā)中心，包括了質(zhì)量、研發(fā)、前端、外延層的研發(fā)；菲拉赫也非常重要，包括前端、研發(fā)和質(zhì)量等；美國西部也有外延層，也有研發(fā)、質(zhì)量等;新加坡有倉庫。英飛凌氮化鎵產(chǎn)品的高研發(fā)投入使我們從工藝層到封裝、測試等等都可以在英飛凌內(nèi)部完成，在單片集成、多片集成等都有建樹。

最新發(fā)布的CoolGaN 600 V增強(qiáng)型HEMT它們可在開關(guān)模式電源(SMPS)中實現(xiàn)高能效和高功率密度，其優(yōu)值系數(shù)(FOM)在當(dāng)前市場上的所有600 V器件中首屈一指。CoolGaN開關(guān)的柵極電荷極低，且具有極少輸出電容，可在反向?qū)顟B(tài)下提供優(yōu)異的動態(tài)性能，進(jìn)而大幅提高工作頻率，從而通過縮小被動元器件的總體尺寸，提高功率密度。

以上三個可圈可點之處均使得英飛凌在市場競爭中脫穎而出。放眼市場，CoolGaN擁有行業(yè)領(lǐng)先的可靠性。在質(zhì)量控制過程中，英飛凌不僅對器件本身進(jìn)行全面測試，而且對其在應(yīng)用環(huán)境中的性能進(jìn)行全面測試。這確保了CoolGaN開關(guān)滿足甚至優(yōu)于最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

高壓氮化鎵增強(qiáng)模式 HEMT由專用氮化鎵驅(qū)動芯片驅(qū)動

英飛凌氮化鎵產(chǎn)品的等效電路的柵極是一個阻性的柵極，有一個二極管進(jìn)行自鉗斷式阻性柵極：阻性柵極內(nèi)部將VGS鉗位到安全范圍。高柵極電流可實現(xiàn)快速導(dǎo)通，穩(wěn)健的柵極驅(qū)動拓?fù)?。?jù)悉，目前這項結(jié)構(gòu)只有英飛凌和松下可以用。這也是英飛凌從競爭對手中脫穎而出的原因。

圖5：高壓氮化鎵產(chǎn)品的等效電路

鄧博士講到“氮化鎵在導(dǎo)沖的時候一定要有一個穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)沖電流，來保持它的開通，然后需要負(fù)的脈沖來關(guān)斷。這些特殊的負(fù)的電流也需要有一個負(fù)的電壓把它關(guān)斷。所以穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)沖電流加上負(fù)電壓的關(guān)斷，給電源的一些驅(qū)動造成客戶需要使用這個應(yīng)用，深刻體會到客戶有這個需求，所以我們自主研發(fā)了氮化鎵的三款不同的驅(qū)動器，分別為EiceDRIVER IC——1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H，它們經(jīng)專門研發(fā)，以確保CoolGaN開關(guān)實現(xiàn)強(qiáng)健且高效的運行，同時最大限度地減少工程師研發(fā)工作量，加快將產(chǎn)品推向市場。

圖6：EiceDRIVER IC

圖7：CoolGaN™ 600 V + GaN EiceDRIVER™現(xiàn)已量產(chǎn)

案例-基于GaN 的ACDC電源

英飛凌作為全球最大功率半導(dǎo)體器件供應(yīng)商一直以來都以提供高品質(zhì)的產(chǎn)品而著稱，因此Bel Power Solutions選擇與英飛凌合作采用其新一代600V的CoolGaN™ 產(chǎn)品設(shè)計了一款超高性能的ACDC電源，其中使用了英飛凌 8X8mm 封裝的IGLD60R070D1，這種貼片封裝在效率，散熱和空間優(yōu)化方面提供了很好的平衡。通過采用英飛凌的CoolGaN™ ， Bel Power Solutions能夠為客戶提供更高效，高功率密度的電源產(chǎn)品。

圖8：基于GaN 的ACDC電源性能優(yōu)勢

英飛凌的定位不僅僅是一個器件提供商，在整個電源管理中提供所有的器件可以讓英飛凌能夠更有經(jīng)驗地幫助客戶進(jìn)行整個系統(tǒng)的咨詢工作。從驅(qū)動器、開關(guān)到控制器……英飛凌是客戶真正的技術(shù)顧問。

圖9：英飛凌提供完整的系統(tǒng)解決方案

目前市場主流雖然是硅，但是GaN前景看好

英飛凌科技奧地利股份有限公司電源管理與多元化事業(yè)部資深市場營銷經(jīng)理鄧巍談到“市場上應(yīng)用的領(lǐng)域，硅目前還是市場上最主流的一些解決方案。那么，我們怎么樣去定位碳化硅和氮化鎵類產(chǎn)品呢?氮化鎵主要定位成高功率、高電壓的一些應(yīng)用，比如從600V一直到3.3kv是氮化硅類比較合適應(yīng)用的一些應(yīng)用場景。氮化鎵定位中央的低壓產(chǎn)品，大概是100-600V左右。氮化鎵的產(chǎn)品還有一個特性是能夠在高頻下無損耗地進(jìn)行開關(guān)，比如說在特定地為氮化鎵所采用的高頻下的應(yīng)用?？梢钥吹剑赬軸上，氮化鎵在頻率上還要往高頻上更加地突出。英飛凌認(rèn)為這三種技術(shù)會共存，硅是市場的一個主流，而在一些高性能、高端產(chǎn)品中硅所不能達(dá)到的一些應(yīng)用，就由碳化硅和氮化鎵來進(jìn)行產(chǎn)品的技術(shù)補(bǔ)充。”

圖10：硅、碳化硅與氮化鎵市場應(yīng)用比較

一個新的技術(shù)一般會經(jīng)過一個曲線，大家開始會對它有非常大的期望。但是當(dāng)?shù)竭_(dá)一個峰點的時候，會發(fā)現(xiàn)這個技術(shù)不是很成熟，熱度就會突然一下慢慢地減弱，一直減弱到谷底。但是隨著這個新的技術(shù)慢慢地變得成熟，在各種各樣的應(yīng)用中體現(xiàn)出它的價值，越來越多地被市場所接受，這個技術(shù)會慢慢地再攀升出來。

圖11：GaN Gartner技術(shù)成熟度曲線

氮化鎵目前正屬于第二個攀升中的階段，它的熱潮時間段已經(jīng)過去。所以，我們認(rèn)為現(xiàn)在是一個非常好的時機(jī)來看氮化鎵類的產(chǎn)品和這個技術(shù)。未來十年，基于氮化鎵的器件市場總值有望超過10億美元，從市場的分布來說，電源類產(chǎn)品大概占到整個市場的40%左右。在汽車類的應(yīng)用可能起步得比較晚，但是它的成長非?？?，未來汽車關(guān)于氮化鎵的應(yīng)用是一個非常大的應(yīng)用。

圖12：2018年碳化硅和氮化鎵功率半導(dǎo)體報告

小結(jié)：

潘大偉講到“英飛凌的目標(biāo)是通過CoolGaN™器件和驅(qū)動在市場上的推出及產(chǎn)品定位，強(qiáng)化我們在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。通過提升品牌認(rèn)知度并創(chuàng)造需求，讓英飛凌的CoolGaN™成為客戶的首選。”

相信在不久的將來，英飛凌終將成為氮化鎵(GaN)技術(shù)在客戶心目中的領(lǐng)軍者，如同其在硅和碳化硅領(lǐng)域一樣。