GaN功率器件市场趋热 英飞凌新方案细节曝光

CoolGaN是英飞凌GaN增强模式高电子迁移率晶体管（E-HEMT）系列产品。最近该公司推出了两款进入量产的产品——CoolGaN 600 V增强型HEMT和GaN开关管专用驱动IC GaN EiceDRIVER。籍此我们梳理了一下GaN功率器件在全球市场、产品应用和技术特性方面的信息，以及英飞凌相关业务和此次量产产品的细节。
 

英飞凌的业务面
 

根据英飞凌提供的资料显示，2018年，英飞凌的营收达到75亿欧元，利润率达到17.8%。该公司目前有四个事业部，其中汽车电子占43%，电源管理与多元化市场（PMM）占31%，工业功率控制占17%，数字化安全解决方案占9%。而在全球市场占有率上，英飞凌的功率半导体和智能卡IC排名第一，汽车电子则位居第二。

图：2017年全球分立式MOFSFET市场排名

据英飞凌大中华区副总裁PMM事业部负责人潘大伟介绍，在PMM市场，英飞凌主要专注于三大领域：能效、物联网和高速大数据。在能效方面，其产品主要是MOSFET和数字电源IC、GaN和SiC；在高速大数据方面，主要是与传输相关的LNA/开关、GaN和SiC器件；在物联网方面，则是传感器和雷达。

“就细分市场而言，我们全球营收的75%来自电源产品，25%来自射频和传感器。” 潘大伟说，“按区域分，57%的收入来自大中华区。我们是目前市场上唯一一家掌握所有高压电源技术的企业，产品涵盖Si、SiC和GaN等材料，包括CoolMOS、IGBT、CoolGaN和CoolSiC。”
 

GaN的特性和市场面
 

在功率器件中，相对于Si器件，GaN可以做到高压下进行高频且无损耗的开关，可以降低整个电源系统的成本，提高转化效率，并且具有更高的功率密度，更小的体积和更好的散热性能。虽然目前在市场应用中，Si器件还是居于主流，但在高功率和600V-3.3KV的高压应用上，SiC最具性能优势，而在100-600V左右的领域，则GaN具有性能优势。

据英飞凌科技奥地利股份有限公司PMM资深市场营销经理邓巍介绍，GaN是一种宽禁带半导体材料（WBG），与Si等传统的半导体材料相比，它能够让器件在更高的电压、频率和温度下运行。从结构上看，Si是垂直型的结构，GaN是平面型的结构，前者的带隙是1.1电子伏特，后者则是3.4电子伏特。其实，GaN材料技术早在上世纪60年代就应用于LED产品，在电源类产品中则是最近几年才开始进入市场阶段。

图：Si和GaN两种材料的不同结构决定了其不同的器件特性

邓巍表示，GaN正处于攀升阶段，对于相关技术和产品而言是一个非常好的时机。目前市场上的GaN方案主要有三种趋势：1、分立式+外部驱动器；2、多片集成。开关和驱动虽然是不同的衬底，但是封装在同一个壳里；3、单片集成。即将GaN的开关、驱动和其他器件作为同衬底进行集成。就成熟度来而言，分立式器件目前最成熟，GaN则可以在多片集成和单片集成中体现出优势，因而渐成趋势。英飞凌的GaN方案是三种都有。

图：GaN功率器件应用增长迅速

 

600V CoolGaN的特性

 

据邓巍介绍，英飞凌这款增强型HEMT采用常闭概念，以获得最长的使用寿命。常闭概念可实现两个重要功能，其一P-GaN电阻栅的栅极电压超出正向电压时空穴注入；其二P-GaN漏极接触，避免了电流崩溃。

“由于目前用户更为熟悉常关式概念，所以，英飞凌在技术细节和工艺上做了一些改动，在栅极加了P-，做成一个市场比较容易理解的常关型器件。”邓巍解释道，“此外，动态RDS(ON)是GaN一个棘手的问题，英飞凌通过引入P-解决了这个问题。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，引入P-可以把表面的电子中和掉，由此解决根本问题。”据悉，这个结构目前只有英飞凌和松下可以使用。

图：英飞凌GaN增强模式高电子迁移率晶体管用常闭概念

总的来看，CoolGaN 600 V增强型HEMT具有很好的优值系数（FOM），由于其栅极电荷极低，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，因此其工作频率很高，并缩小了被动元器件的总体尺寸，提高了功率密度。该器件的PFC变流器里具有超高的能效（2.5 kW PFC能效 > 99.3%），而在相同能效下的功率密度可达到160 W/in3（3.6 kW LLC能效 > 98%）。在谐振拓扑中，CoolGaN线性输出电容可将死区时间缩短至1/8到1/10。

 

Eice DRIVER 驱动芯片的特性

 

由于常闭概念功率器件目前只有英飞凌和松下能做，所以这款600V CoolGaN需要配备专用的驱动芯片进行驱动。该器件的等效电路的栅极是一个二极管进行自钳断式阻性栅极，其内部可将VGS钳位到安全范围，可靠性非常高。据邓巍介绍，不同于传统功率MOSFET的栅极驱动IC，这个针对英飞凌CoolGaN量身定制的栅极驱动IC可提供负输出电压，以快速关断氮化镓开关。在开关应处于关闭状态的整个持续时间内，该器件可以使栅极电压稳定保持为零。这可保护GaN开关不受噪音导致误接通的影响，哪怕是首脉冲，这对于SMPS实现强健运行至关重要。GaN栅极驱动IC可实现恒定的GaN HEMT开关转换速率，几乎不受工作循环或开关速度影响。这可确保运行稳健性和很高能效，大大缩短研发周期。它集成了电隔离，可在硬开关和软开关应用中实现强健运行。它还可在SMPS一次侧和二次侧之间提供保护，并可根据需要在功率级与逻辑级之间提供保护。

“驱动有一些特殊性。并不是所有的客户都有很好的研发能力来驱动GaN的产品，驱动不好就代表它的优势不能最大化。” 邓巍说，“我们深刻体会到客户有这个需求，所以自主研发了GaN的三款不同的驱动器，这些专有高压GaN驱动芯片配合GaN开关共同使用，具有最佳的稳健性，最好的效率和最小的研发投入。”

图：专有GaN驱动芯片的主要优势