氮化鎵和碳化硅能夠在高壓和高開(kāi)關(guān)頻率條件下實(shí)現(xiàn)高電源效率，前景備受看好，而氮化鎵比碳化硅更具成本優(yōu)勢(shì)，因此未來(lái)會(huì)被快速應(yīng)用。然而對(duì)于氮化鎵功率器件來(lái)說(shuō)，最重要的挑戰(zhàn)是可靠性、成本以及驅(qū)動(dòng)等問(wèn)題。近日，英飛凌推出了CoolGaN?600V增強(qiáng)型HEMT和氮化鎵開(kāi)關(guān)管專用驅(qū)動(dòng)IC來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題。

英飛凌大中華區(qū)副總裁、電源管理及多元化市場(chǎng)事業(yè)部負(fù)責(zé)人潘大偉表示，CoolGaN?是打開(kāi)高效能源之門(mén)的鑰匙。因?yàn)樗诟唠妷哼\(yùn)行，具有更高頻率的開(kāi)關(guān)、更薄的主動(dòng)層、功率密度擴(kuò)散、散熱能力提升等特點(diǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)提升效率、更穩(wěn)定可靠、更高功率密度、減小系統(tǒng)尺寸、簡(jiǎn)化控制、降低系統(tǒng)成本等好處。

據(jù)英飛凌電源管理及多元化市場(chǎng)事業(yè)部高壓GaN高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理鄧巍博士介紹，CoolGaN的優(yōu)值系數(shù)(FOM)在當(dāng)前市場(chǎng)上的所有600V器件中首屈一指，而且開(kāi)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(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而大幅提高工作頻率，從而通過(guò)縮小被動(dòng)元器件的總體尺寸，提高功率密度。同時(shí)，CoolGaN在功率因數(shù)校正(PFC)變流器里具有超高的能效(2.5kWPFC能效>99.3%)，相同能效下的功率密度可達(dá)到160W/in3(3.6kWLLC能效>98%)。另外，在諧振拓?fù)渲?，CoolGaN線性輸出電容可將死區(qū)時(shí)間縮短至八分之一到十分之一。

以產(chǎn)品可靠性  解決客戶之需

對(duì)于氮化鎵功率器件而言，可靠性問(wèn)題是最重要的挑戰(zhàn)。對(duì)此，英飛凌表示：“我們的氮化鎵HEMT專為量產(chǎn)而設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和發(fā)布。質(zhì)量永遠(yuǎn)是我們永遠(yuǎn)需要保證的第一因素，我們的目標(biāo)是在整個(gè)生命周期實(shí)現(xiàn)小于1FIT。放眼市場(chǎng)，CoolGaN擁有行業(yè)領(lǐng)先的可靠性。在質(zhì)量控制過(guò)程中，我們不僅對(duì)器件本身進(jìn)行全面測(cè)試，而且對(duì)其在應(yīng)用環(huán)境中的性能進(jìn)行全面測(cè)試，這確保了CoolGaN開(kāi)關(guān)滿足甚至優(yōu)于最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”據(jù)介紹，這種架構(gòu)只有松下和英飛凌獨(dú)有。

鄧魏博士透露，氮化鎵器件作為一個(gè)常開(kāi)型器件，很難被客戶所應(yīng)用和接受。因?yàn)橛脩魧?duì)硅器件或其他器件的常關(guān)型理念非常熟悉，而且形成了習(xí)慣。為了解決這一問(wèn)題，并且使氮化鎵器件達(dá)到最長(zhǎng)的使用壽命，英飛凌的CoolGaN600V增強(qiáng)型HEMT采用采用了業(yè)界獨(dú)一無(wú)二的常閉式概念解決方案。

據(jù)介紹，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(dòng)作的話，它中間有一個(gè)二維電子器的層，中間會(huì)有電子流動(dòng)。英飛凌柵極加了P型氮化鎵，將氮化鎵做成了常關(guān)型器件。

另一方面，動(dòng)態(tài)RDS(ON)是氮化鎵比較棘手的問(wèn)題，鄧魏表示英飛凌可以解決這個(gè)問(wèn)題，其關(guān)鍵在于P型氮化鎵漏極接觸，從而避免電流崩潰。由于電子在開(kāi)關(guān)的時(shí)候被漏級(jí)的電子陷在里面不流通，這樣會(huì)造成有影響。而把P型氮化鎵引入之后，就可以把表面的電子中和掉，這樣可以從根本上解決問(wèn)題。

另外，據(jù)介紹，英飛凌氮化鎵產(chǎn)品的等效電路的柵極是一個(gè)阻性的柵極，有一個(gè)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(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通，因此是一個(gè)穩(wěn)健的柵極驅(qū)動(dòng)拓?fù)洹?/p>

鄧魏還表示，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手用的可靠性模型，往往是非常激進(jìn)的。其展示的往往是最好的案例，卻沒(méi)有真正解決RDS(ON)的問(wèn)題，這會(huì)導(dǎo)致在使用中壽命有所降低。英飛凌永遠(yuǎn)展示比較保守的模型，且產(chǎn)品的使用壽命大于10年，數(shù)據(jù)參數(shù)等會(huì)考慮很多的余量?！拔覀儎?dòng)態(tài)的RDS(on)為0的，有更穩(wěn)健的柵極理念，我們有專門(mén)的資質(zhì)認(rèn)證方法，所以，英飛凌的氮化鎵是業(yè)內(nèi)最可靠的產(chǎn)品之一?！?/p>

專用驅(qū)動(dòng)  提升效率

除了可靠性問(wèn)題之外，由于氮化鎵的開(kāi)關(guān)頻率非?？?，因此驅(qū)動(dòng)IC很難匹配，因此氮化鎵器件供應(yīng)商都要提供定制化驅(qū)動(dòng)IC，英飛凌也不例外。

鄧魏表示，氮化鎵功率器件的驅(qū)動(dòng)要考慮一些特殊性。首先氮化鎵一定要有一個(gè)穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)沖電流來(lái)保持它的開(kāi)通，然后需要負(fù)脈沖來(lái)關(guān)斷。負(fù)電流也需要有一個(gè)負(fù)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，這會(huì)對(duì)電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)造成極大挑戰(zhàn)。因此，而并非所有的客戶都有很好的研發(fā)能力來(lái)驅(qū)動(dòng)氮化鎵，如果驅(qū)動(dòng)不好，它的優(yōu)勢(shì)就不能最大化。“我們深刻體會(huì)到客戶的需求，所以我們自主研發(fā)了氮化鎵的三款不同的驅(qū)動(dòng)器?！?/p>

據(jù)介紹，英飛凌氮化鎵開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片EiceDRIVERIC——1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H——是CoolGaN增強(qiáng)型HEMT的完美搭檔。它們經(jīng)專門(mén)研發(fā)，以確保CoolGaN開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健且高效的運(yùn)行，同時(shí)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(chǎng)。

不同于傳統(tǒng)功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)IC，這個(gè)針對(duì)英飛凌CoolGaN量身定制的柵極驅(qū)動(dòng)IC可提供負(fù)輸出電壓，以快速關(guān)斷氮化鎵開(kāi)關(guān)。在開(kāi)關(guān)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，GaNEiceDRIVERIC可以使柵極電壓穩(wěn)定保持為零。這可保護(hù)氮化鎵開(kāi)關(guān)不受噪音導(dǎo)致誤接通的影響，哪怕是首脈沖，這對(duì)于SMPS實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健運(yùn)行至關(guān)重要。這些氮化鎵柵極驅(qū)動(dòng)IC可實(shí)現(xiàn)恒定的GaNHEMT開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速率，幾乎不受工作循環(huán)或開(kāi)關(guān)速度影響。這可確保運(yùn)行穩(wěn)健性和很高能效，大大縮短研發(fā)周期。它集成了電隔離，可在硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健運(yùn)行。它還可在SMPS一次側(cè)和二次側(cè)之間提供保護(hù)，并可根據(jù)需要在功率級(jí)與邏輯級(jí)之間提供保護(hù)。

市場(chǎng)需求  終將降低成本

在市場(chǎng)方面，降低成本加速推廣，是未來(lái)氮化鎵技術(shù)廣泛使用的主要障礙。目前氮化鎵器件的價(jià)格大約是硅器件6倍，對(duì)于氮化鎵成本降低方面，英飛凌工作人員表示充滿信心。

鄧魏認(rèn)為，首先，氮化鎵具有總體系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)。氮化鎵的優(yōu)勢(shì)在于能夠使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得更加節(jié)湊，這是光看單個(gè)器件成本所體現(xiàn)不出來(lái)的，必須得把整個(gè)系統(tǒng)的成本考慮進(jìn)去。其次，氮化鎵是一種新產(chǎn)品，隨著未來(lái)數(shù)量增長(zhǎng)后，成本自然會(huì)下降。而且，現(xiàn)在很多廠家都在往更大的晶圓上發(fā)展，晶粒尺寸也會(huì)縮小，這意味著單個(gè)晶圓產(chǎn)生的數(shù)量會(huì)更多，那么成本又會(huì)縮減。因此未來(lái)氮化鎵成本的縮減是比較大幅度的，跟硅相比差距變得越來(lái)越小。

鄧魏表示，氮化鎵現(xiàn)在的發(fā)展非?？?，未來(lái)基于氮化鎵的器件市場(chǎng)總值有望超過(guò)10億美元，電源類產(chǎn)品大概占到整個(gè)市場(chǎng)的40%左右。英飛凌在氮化鎵方面關(guān)注五到六個(gè)目標(biāo)應(yīng)用，比如服務(wù)器、電芯、無(wú)線充電、音頻、適配器等應(yīng)用?！拔覀兿Ｍ嗟念I(lǐng)域來(lái)嘗試我們的氮化鎵產(chǎn)品。我們也在和客戶、分銷商一起來(lái)探索如何應(yīng)用氮化鎵到更多的領(lǐng)域當(dāng)中，比如太陽(yáng)能、照明、消費(fèi)電子、電視等?！?/p>

調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole預(yù)估，氮化鎵元件2015年～2021年的成長(zhǎng)率將達(dá)83%，其中電源供應(yīng)器將占相當(dāng)大的一部份，近六成左右，預(yù)計(jì)氮化鎵功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將飛速增長(zhǎng)。

布局汽車領(lǐng)域

氮化硅和氮化鎵都被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體，很多人對(duì)它們的差別并不太清楚。據(jù)鄧魏介紹，從600V一直到3.3kv是氮化硅類比較合適的應(yīng)用場(chǎng)景，氮化鎵定位于100-600V左右的高頻應(yīng)用。

從汽車領(lǐng)域來(lái)看，碳化硅更適用于50千瓦以上更大功率的應(yīng)用場(chǎng)景，如汽車、火車等，這些場(chǎng)景對(duì)于成本也不敏感。相對(duì)來(lái)說(shuō)氮化鎵在電動(dòng)汽車領(lǐng)域會(huì)和碳化硅有一定的競(jìng)爭(zhēng)，20千瓦以下則主要是氮化鎵的市場(chǎng)。

鄧魏認(rèn)為，從市場(chǎng)的分布來(lái)說(shuō)，氮化鎵在汽車類的應(yīng)用可能起步比較晚，目前在汽車領(lǐng)域布局氮化鎵還不是時(shí)候，因?yàn)槠囶I(lǐng)域不管是從可靠性還是其他方面要求都是比較高的，甚至比工業(yè)領(lǐng)域級(jí)別要求還要高，因此要等到系統(tǒng)成本能夠有所縮減和可靠性達(dá)到一定證明的時(shí)候，氮化鎵才能在汽車領(lǐng)域充分地發(fā)揮作用。

但他又認(rèn)為特別未來(lái)幾年，汽車是氮化鎵非常大的應(yīng)用場(chǎng)景?！坝w凌會(huì)在這些方面都有所投入。2019年，我們會(huì)慢慢地發(fā)布我們的氮化鎵在汽車領(lǐng)域的路線圖。48VDC-DC和OBC是我們著重考慮和體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)的兩個(gè)領(lǐng)域。”