新的电源转换标杆：英飞凌CoolGaN可圈可点

 半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年，一路上挟风带雨雷厉风行。不过随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限，摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓。未来半导体技术的提升需要探寻新的研究方向，寻找硅(Si)以外新一代的半导体材料，也就成了一个重要方向。在这个过程中，氮化镓(GaN)近年来作为一个高频词汇，进入了人们的视野，GaN(氮化镓)材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点。

全球半导体行业的领导者英飞凌这几年一直走在时代的前列，2018年11月28日英飞凌更是在深圳首次召开了CoolGaN氮化镓的媒体新品发布会，并带来了已经量产的好消息，且已经有合作公司成功设计了一款基于GaN的6KW ACDC电源。“至此，英飞凌是市场上唯一一家提供涵盖硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等材料的全系列功率产品的公司”英飞凌大中华区副总裁、电源管理及多元化市场事业部负责人潘大伟讲到。

图1：英飞凌大中华区副总裁、电源管理及多元化市场事业部负责人潘大伟

英飞凌的CoolGaN有哪些可圈可点之处?

“英飞凌是唯一一家掌握所有高压电源技术的企业，像大家比较熟悉的CoolMOS、IGBT、CoolGaN、CoolSiC等等英飞凌都有。CoolGaN是英飞凌氮化镓(GaN)增强模式高电子迁移率晶体管(E-HEMT)产品系列。CoolGaN非常适合高压下运行更高频率的开关，它可以将整个系统的成本降低，可以做到更轻薄设计、功率密度扩展，使转换效率大大地提高，这是CoolGaN最大的好处”英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍博士讲到。

图2：英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍

圈点一：独一无二的常闭式概念解决方案。无论是在硅，还是其他器件上大家已经熟悉了常关型的理念，但是氮化镓作为第三代半导体器件，如果不在栅极做任何的电压动作的话，它中间有一个二维电子器的层，中间会有电子在中间流动。这时候如果GaN也做常开型器件处理，则很难被客户所应用和接受，因此英飞凌在栅极加了P-，做出了一个市场比较容易理解的常关型器件。

图3：英飞凌常闭性氮化镓的结构原理图

氮化镓有一个业界比较棘手的问题叫做动态RDS(ON)，第一个P-的引入，使得动态RDS(ON)有很多电子在开关的时候被漏级的电子陷在里面不流通，但是将另一个P-放在后面之后，就可以把表面的电子中和掉，从技术的根本上解决了动态RDS(ON)问题。

圈点二：贴片式(SMD)封装保持了氮化镓的优势。众所周知氮化镓在高频情况下能够无损耗地进行开关，为了不在封装环节抹杀掉其独特的优势，英飞凌引入了贴片式封装，贴片式封装的优势在于进深参数比较小，可以最大效率地发挥其优势，英飞凌可以根据散热性能和体积尺寸的不同提供不同封装的产品。

图4：适用于CoolGaN™ 冷却原理的贴片式(SMD)封装

圈点三：CoolGaN™ 制造，英飞凌具备完整的价值链。英飞凌氮化镓制造总部慕尼黑；奥地利维拉赫是非常重要的氮化镓的研发中心，包括了质量、研发、前端、外延层的研发；菲拉赫也非常重要，包括前端、研发和质量等；美国西部也有外延层，也有研发、质量等;新加坡有仓库。英飞凌氮化镓产品的高研发投入使我们从工艺层到封装、测试等等都可以在英飞凌内部完成，在单片集成、多片集成等都有建树。

最新发布的CoolGaN 600 V增强型HEMT它们可在开关模式电源(SMPS)中实现高能效和高功率密度，其优值系数(FOM)在当前市场上的所有600 V器件中首屈一指。CoolGaN开关的栅极电荷极低，且具有极少输出电容，可在反向导通状态下提供优异的动态性能，进而大幅提高工作频率，从而通过缩小被动元器件的总体尺寸，提高功率密度。

以上三个可圈可点之处均使得英飞凌在市场竞争中脱颖而出。放眼市场，CoolGaN拥有行业领先的可靠性。在质量控制过程中，英飞凌不仅对器件本身进行全面测试，而且对其在应用环境中的性能进行全面测试。这确保了CoolGaN开关满足甚至优于最高质量标准。

高压氮化镓增强模式 HEMT由专用氮化镓驱动芯片驱动

英飞凌氮化镓产品的等效电路的栅极是一个阻性的栅极，有一个二极管进行自钳断式阻性栅极：阻性栅极内部将VGS钳位到安全范围。高栅极电流可实现快速导通，稳健的栅极驱动拓扑。据悉，目前这项结构只有英飞凌和松下可以用。这也是英飞凌从竞争对手中脱颖而出的原因。

图5：高压氮化镓产品的等效电路

邓博士讲到“氮化镓在导冲的时候一定要有一个稳态的导冲电流，来保持它的开通，然后需要负的脉冲来关断。这些特殊的负的电流也需要有一个负的电压把它关断。所以稳态的导冲电流加上负电压的关断，给电源的一些驱动造成客户需要使用这个应用，深刻体会到客户有这个需求，所以我们自主研发了氮化镓的三款不同的驱动器，分别为EiceDRIVER IC——1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H，它们经专门研发，以确保CoolGaN开关实现强健且高效的运行，同时最大限度地减少工程师研发工作量，加快将产品推向市场。

图6：EiceDRIVER IC

图7：CoolGaN™ 600 V + GaN EiceDRIVER™现已量产

案例-基于GaN 的ACDC电源

英飞凌作为全球最大功率半导体器件供应商一直以来都以提供高品质的产品而著称，因此Bel Power Solutions选择与英飞凌合作采用其新一代600V的CoolGaN™ 产品设计了一款超高性能的ACDC电源，其中使用了英飞凌 8X8mm 封装的IGLD60R070D1，这种贴片封装在效率，散热和空间优化方面提供了很好的平衡。通过采用英飞凌的CoolGaN™ ， Bel Power Solutions能够为客户提供更高效，高功率密度的电源产品。

图8：基于GaN 的ACDC电源性能优势

英飞凌的定位不仅仅是一个器件提供商，在整个电源管理中提供所有的器件可以让英飞凌能够更有经验地帮助客户进行整个系统的咨询工作。从驱动器、开关到控制器……英飞凌是客户真正的技术顾问。

图9：英飞凌提供完整的系统解决方案

目前市场主流虽然是硅，但是GaN前景看好

英飞凌科技奥地利股份有限公司电源管理与多元化事业部资深市场营销经理邓巍谈到“市场上应用的领域，硅目前还是市场上最主流的一些解决方案。那么，我们怎么样去定位碳化硅和氮化镓类产品呢?氮化镓主要定位成高功率、高电压的一些应用，比如从600V一直到3.3kv是氮化硅类比较合适应用的一些应用场景。氮化镓定位中央的低压产品，大概是100-600V左右。氮化镓的产品还有一个特性是能够在高频下无损耗地进行开关，比如说在特定地为氮化镓所采用的高频下的应用。可以看到，在X轴上，氮化镓在频率上还要往高频上更加地突出。英飞凌认为这三种技术会共存，硅是市场的一个主流，而在一些高性能、高端产品中硅所不能达到的一些应用，就由碳化硅和氮化镓来进行产品的技术补充。”

图10：硅、碳化硅与氮化镓市场应用比较

一个新的技术一般会经过一个曲线，大家开始会对它有非常大的期望。但是当到达一个峰点的时候，会发现这个技术不是很成熟，热度就会突然一下慢慢地减弱，一直减弱到谷底。但是随着这个新的技术慢慢地变得成熟，在各种各样的应用中体现出它的价值，越来越多地被市场所接受，这个技术会慢慢地再攀升出来。

图11：GaN Gartner技术成熟度曲线

氮化镓目前正属于第二个攀升中的阶段，它的热潮时间段已经过去。所以，我们认为现在是一个非常好的时机来看氮化镓类的产品和这个技术。未来十年，基于氮化镓的器件市场总值有望超过10亿美元，从市场的分布来说，电源类产品大概占到整个市场的40%左右。在汽车类的应用可能起步得比较晚，但是它的成长非常快，未来汽车关于氮化镓的应用是一个非常大的应用。

图12：2018年碳化硅和氮化镓功率半导体报告

小结：

潘大伟讲到“英飞凌的目标是通过CoolGaN™器件和驱动在市场上的推出及产品定位，强化我们在功率半导体领域的领先地位。通过提升品牌认知度并创造需求，让英飞凌的CoolGaN™成为客户的首选。”

相信在不久的将来，英飞凌终将成为氮化镓(GaN)技术在客户心目中的领军者，如同其在硅和碳化硅领域一样。