英飛凌實(shí)現(xiàn)GaN技術(shù)突破——單片高壓CoolGaN BDS大幅簡化雙向開關(guān)設(shè)計(jì)GaN

受到低碳可持續(xù)發(fā)展和AI兩大需求方向推動(dòng)，全球功率半導(dǎo)體市場正在飛速增長，預(yù)計(jì)到2026年將達(dá)到262億美元市場規(guī)模。傳統(tǒng)的硅基設(shè)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(yīng)用中會(huì)有所增長，但在其他市場正逐步被寬帶隙（WBG）技術(shù)產(chǎn)品所取代。氮化鎵（GaN）預(yù)計(jì)會(huì)快速增長，目前主要應(yīng)用在消費(fèi)電子領(lǐng)域，但將逐步進(jìn)入工業(yè)和汽車領(lǐng)域。碳化硅（SiC）則將繼續(xù)在高功率汽車和工業(yè)應(yīng)用中保持增長并擴(kuò)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(dǎo)體領(lǐng)域的龍頭企業(yè)之一，英飛凌已經(jīng)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(lǐng)域的技術(shù)突破。同時(shí)在展會(huì)期間還舉辦了一場專門的氮化鎵新品媒體溝通會(huì)，在會(huì)上分享了通過去年對于GaN System的收購，英飛凌迅速實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品品類的拓展等相關(guān)信息。

目前英飛凌在GaN相關(guān)的產(chǎn)品系列已經(jīng)拓寬至5大類，包括CoolGaN^TM Transistor（即原來的Discrete，單管類型產(chǎn)品）、CoolGaN^TM BDS（雙向開關(guān)）、CoolGaN^TM Smart Sense（包含電流檢測或其他智能功能）、CoolGaN^TM Drive（集成驅(qū)動(dòng)）、CoolGaN^TM Control。

“在成功收購GaN Systems之后，英飛凌的IP儲(chǔ)量獲得了顯著提升?！庇w凌科技大中華區(qū)消費(fèi)、計(jì)算與通訊業(yè)務(wù)市場總監(jiān)程文濤在媒體溝通會(huì)上說到。

據(jù)悉，在CoolGaN^TM Transistor方面英飛凌提供了電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)兩種技術(shù)的分立器件，而且全部的CoolGaN^TM 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(lǐng)域，英飛凌推出了全新CoolGaN? 晶體管 700 V G4產(chǎn)品系列，與市場上的其他氮化鎵（GaN）產(chǎn)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(gè)系統(tǒng)的可靠性。而在中壓領(lǐng)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CoolGaN^TM晶體管電壓等級。

CoolGaN^TM BDS：單片實(shí)現(xiàn)完美的雙邊開關(guān)，大幅簡化設(shè)計(jì)和成本

所謂BDS即雙向開關(guān)，而英飛凌的突破在于通過單芯片實(shí)現(xiàn)了完美的雙邊開關(guān)功能，從而大幅簡化了客戶傳統(tǒng)的雙邊開關(guān)復(fù)雜電路設(shè)計(jì)，并大幅提升了性能和優(yōu)化成本。該系列的目標(biāo)應(yīng)用包括移動(dòng)設(shè)備 USB 端口、電池管理系統(tǒng)、逆變器和整流器等。

據(jù)悉，CoolGaN? BDS的高壓系列包括650V和850V兩個(gè)型號，采用真正的常閉單片雙向開關(guān)，提供了四種工作模式。該系列半導(dǎo)體器件基于柵極注入晶體管 (GIT) 技術(shù)，擁有兩個(gè)帶有襯底終端和獨(dú)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(gè)方向的電壓，即便在重復(fù)短路的情況下也具備出色的性能，并且通過使用一個(gè)BDS代替四個(gè)傳統(tǒng)晶體管，可提高效率、密度和可靠性，使應(yīng)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(shù)的常閉單片雙向開關(guān)。它能阻斷兩個(gè)方向的電壓，并且通過單柵極共源極的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，以取代電池供電消費(fèi)產(chǎn)品中用作斷開開關(guān)的背對背 MOSFET。

據(jù)程文濤分享，當(dāng)前越來越多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中需要一個(gè)理想的開關(guān)——即兩邊都能關(guān)斷并且打開，同時(shí)開關(guān)速度還要特別快。傳統(tǒng)的方式是通過兩個(gè)Si MOSFET采用背靠背的方式去做，如果整個(gè)設(shè)計(jì)中需要導(dǎo)通的RDS（ON）達(dá)到10mΩ，那么兩個(gè)Si MOSFET就要選擇兩顆更高規(guī)格的5mΩ RDS（ON）并聯(lián)起來，才能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)目標(biāo)。但CoolGaN? BDS的出現(xiàn)，改變了這個(gè)游戲的規(guī)則。直接通過一顆CoolGaN? BDS就可以實(shí)現(xiàn)之前四顆芯片才能完成的功能，這大幅優(yōu)化了該設(shè)計(jì)的面積和成本，并且?guī)砹烁叩拈_關(guān)頻率。

CoolGaN? BDS的應(yīng)用場景包括服務(wù)器中的母板和UPS、消費(fèi)電子中的OVP和USB-OTG、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及電動(dòng)工具中的電池管理等。據(jù)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(guān)優(yōu)化了整體電路性能。其它的應(yīng)用包括 AC/DC 或 DC/AC 拓?fù)渲械膯渭壗涣麟娫崔D(zhuǎn)換。而中壓CoolGaN? BDS與背對背 Si FET 設(shè)計(jì)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(yīng)用場景還包括在很多大功率的電池管理，電動(dòng)工具，還有一些儲(chǔ)能、光伏、服務(wù)器等領(lǐng)域中?！背涛臐硎?。

集成電流感應(yīng)的CoolGaN^TM Smart Sense

除了CoolGaN? BDS外，英飛凌還推出了全新的CoolGaN^TM Smart Sense系列。該系列是通過芯片自身溝槽實(shí)現(xiàn)電流檢測，這一概念在MOS管技術(shù)中已有應(yīng)用，但主要用于低壓溝槽型MOS。在實(shí)際應(yīng)用中，目前市場上采用該技術(shù)的產(chǎn)品并不多。然而，氮化鎵材料在許多應(yīng)用場景中非常需要內(nèi)含電流檢測功能，據(jù)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(jìn)行采樣，由于加工元器件時(shí)多個(gè)晶胞并聯(lián)使用，晶胞之間需要高度鏡像匹配。因此，可以選取幾個(gè)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(gè)電芯的電流信號進(jìn)行放大，鏡像放大其他溝槽的總功率電流。與傳統(tǒng)的串聯(lián)減流電阻方法相比，內(nèi)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(guān)速度極快，外部取電流的方法會(huì)產(chǎn)生額外的感生電動(dòng)勢和巨大的雜訊，進(jìn)而導(dǎo)致器件應(yīng)用問題。

· 應(yīng)用優(yōu)勢：在氮化鎵的應(yīng)用中，內(nèi)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(shù)對于確保器件的可靠性和高效性至關(guān)重要。

此外，值得一提的是，CoolGaN^TM Smart Sense 產(chǎn)品具有 2 kV 靜電放電耐受能力，可連接到控制器電流感應(yīng)以實(shí)現(xiàn)峰值電流控制和過流保護(hù)。電流檢測響應(yīng)時(shí)間約為 200 ns，等于或小于普通控制器的消隱時(shí)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(chǎn)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(jìn)行布局返工和 PCB 重焊，進(jìn)一步方便了使用英飛凌 GaN 器件的設(shè)計(jì)。

集成驅(qū)動(dòng)的CoolGaN^TM Drive

在GaN的開發(fā)過程中，門極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)對用戶和市場來說一直是一個(gè)難題。時(shí)至今日，以電壓型驅(qū)動(dòng)為代表的技術(shù)路線依然面臨這一挑戰(zhàn)。據(jù)程文濤介紹，“電壓型驅(qū)動(dòng)有一個(gè)特點(diǎn)，需要把它開通到大概5-6V，但不能超過7V，超過7V門極會(huì)損害，留給設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者難度很大?！?

如何解決這個(gè)問題呢？許多公司選擇將驅(qū)動(dòng)器與器件集成在一個(gè)封裝內(nèi)，這樣既能高效驅(qū)動(dòng)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(chǎn)品。

這種集成方法的優(yōu)勢在于，無需為了驅(qū)動(dòng)氮化鎵器件而降低偏置電壓。例如，原來使用硅器件時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置為10V或更高，現(xiàn)在通過CoolGaN? Drive，可以使用相同的偏置電壓驅(qū)動(dòng)氮化鎵器件，而不必強(qiáng)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(yīng)用過程。

據(jù)英飛凌科技大中華區(qū)消費(fèi)、計(jì)算與通訊業(yè)務(wù)高級首席工程師宋清亮介紹，集成驅(qū)動(dòng)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?yàn)楝F(xiàn)在電源以及各類功率設(shè)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(shù)量，讓PCB做的更小，這樣集成度會(huì)更高。第三，在成本上也會(huì)有優(yōu)勢，因?yàn)楫吘乖瓉硎莾蓚€(gè)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(huì)比原來分立的方案更有優(yōu)勢。“所以從這幾點(diǎn)來說，集成是未來一個(gè)非常重要的發(fā)展方向，甚至在很多領(lǐng)域如果不集成，就很難有應(yīng)用的場景。”

英飛凌的GaN策略：產(chǎn)品布局拓寬，擴(kuò)產(chǎn)降低成本

在去年英飛凌成功收購GaN Systems后，通過雙方在知識(shí)產(chǎn)權(quán)、對應(yīng)用的深刻理解等方面優(yōu)勢互補(bǔ)，進(jìn)一步鞏固了英飛凌在氮化鎵領(lǐng)域的市場領(lǐng)導(dǎo)地位，在現(xiàn)有市場中保持競爭優(yōu)勢，同時(shí)為未來的發(fā)展搶占先機(jī)。而另一方面，GaN的產(chǎn)能和可靠性也是其制勝的關(guān)鍵。據(jù)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(kuò)展能力。

隨著GaN的成本降低和高壓技術(shù)的發(fā)展，以及來自客戶的接受度提高，可以預(yù)見在未來的數(shù)據(jù)中心、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域見到更多的GaN應(yīng)用。在我們看來，英飛凌一直以自身強(qiáng)大且先進(jìn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品和解決方案著長，而此次對于GaN相應(yīng)產(chǎn)品種類的拓寬，不僅能夠加強(qiáng)英飛凌在GaN領(lǐng)域提供整體解決方案的能力，也會(huì)助力于其它產(chǎn)品線的銷售。