受到低碳可持续发展和AI两大需求方向推动,全球功率半导体市场正在飞速增长,预计到2026年将达到262亿美元市场规模。传统的硅基设备(包括整流器、晶闸管、双极型晶体管、X-FET如MOSFET、JFET等、IGBT模块及IPM)在某些应用中会有所增长,但在其他市场正逐步被宽带隙(WBG)技术产品所取代。氮化镓()预计会快速增长,目前主要应用在消费电子领域,但将逐步进入工业和汽车领域。碳化硅(SiC)则将继续在高功率汽车和工业应用中保持增长并扩大渗透率。具体市场估值方面,到2026年,GaN HEMTs(高电子迁移率晶体管),包括分立器件和集成器件,市场规模约为10亿美元;SiC MOSFETs和二极管,包括分立器件和模块,市场规模约为30亿美元。
作为全球功率半导体领域的龙头企业之一,已经在宽禁带方面布局已久,并取得卓越成就。在近日的2024上海慕尼黑电子展上,英飞凌还首次举办了“2024英飞凌宽禁带论坛”,介绍了其在SiC和GaN领域的技术突破。同时在展会期间还举办了一场专门的氮化镓新品媒体沟通会,在会上分享了通过去年对于GaN System的收购,英飞凌迅速实现了产品品类的拓展等相关信息。
目前英飞凌在GaN相关的产品系列已经拓宽至5大类,包括CoolGaNTM Transistor(即原来的Discrete,单管类型产品)、CoolGaNTM BDS()、CoolGaNTM Smart Sense(包含电流检测或其他智能功能)、CoolGaNTM Drive(集成驱动)、CoolGaNTM Control。
“在成功收购GaN Systems之后,英飞凌的IP储量获得了显著提升。”英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务市场总监程文涛在媒体沟通会上说到。
据悉,在CoolGaNTM Transistor方面英飞凌提供了电压驱动和电流驱动两种技术的分立器件,而且全部的CoolGaNTM Transistor都采用了贴片封装的形式,从而将快速材料的特性发挥的更好。其中在高压领域,英飞凌推出了全新CoolGaN™ 晶体管 700 V G4产品系列,与市场上的其他氮化镓(GaN)产品相比,该系列晶体管的输入和输出性能优化了20%。此外,凭借具有850 V业界最高瞬态电压的700 V E模式,它们能够更好地抵御用户环境中的异常情况(例如电压峰值),提高整个系统的可靠性。而在中压领域,全新系列是CoolGaN™ G3中压器件,覆盖了60 V、80 V、100 V和120 V的CoolGaNTM晶体管电压等级。
CoolGaNTM BDS:单片实现完美的双边开关,大幅简化设计和成本
所谓BDS即双向开关,而英飞凌的突破在于通过单芯片实现了完美的双边开关功能,从而大幅简化了客户传统的双边开关复杂电路设计,并大幅提升了性能和优化成本。该系列的目标应用包括移动设备 USB 端口、电池管理系统、逆变器和整流器等。
据悉,CoolGaN™ BDS的高压系列包括650V和850V两个型号,采用真正的常闭单片双向开关,提供了四种工作模式。该系列半导体器件基于栅极注入晶体管 (GIT) 技术,拥有两个带有衬底终端和独立隔离控制的分立栅极。它们利用相同的漂移区阻断两个方向的电压,即便在重复短路的情况下也具备出色的性能,并且通过使用一个BDS代替四个传统晶体管,可提高效率、密度和可靠性,使应用能够从中受益并大幅节约成本。
而CoolGaN™ BDS的中压器件的电压等级为40 V,是一款基于英飞凌肖特基栅极氮化镓自主技术的常闭单片。它能阻断两个方向的电压,并且通过单栅极共源极的设计进行了优化,以取代电池供电消费产品中用作断开开关的背对背 MOSFET。
据程文涛分享,当前越来越多的拓扑结构中需要一个理想的开关——即两边都能关断并且打开,同时开关速度还要特别快。传统的方式是通过两个Si MOSFET采用背靠背的方式去做,如果整个设计中需要导通的RDS(ON)达到10mΩ,那么两个Si MOSFET就要选择两颗更高规格的5mΩ RDS(ON)并联起来,才能够实现这样的设计目标。但CoolGaN™ BDS的出现,改变了这个游戏的规则。直接通过一颗CoolGaN™ BDS就可以实现之前四颗芯片才能完成的功能,这大幅优化了该设计的面积和成本,并且带来了更高的开关频率。
CoolGaN™ BDS的应用场景包括服务器中的母板和UPS、消费电子中的OVP和USB-OTG、储能系统以及电动工具中的电池管理等。据悉,高压CoolGaN™ BDS在单相 H4 PFC 和 HERIC 逆变器以及三相 Vienna 整流器中,通过替代背对背开关优化了整体电路性能。其它的应用包括 AC/DC 或 DC/AC 拓扑中的单级交流电源转换。而中压CoolGaN™ BDS与背对背 Si FET 设计相比,可节省 50% 至 75% 的 PCB 面积,并将功耗降低 50% 以上。
“在目前的市场中,英飞凌是第一家做出高压BDS的厂商,高压大功率BDS的应用场景还包括在很多大功率的电池管理,电动工具,还有一些储能、光伏、服务器等领域中。”程文涛表示。
集成电流感应的CoolGaNTM Smart Sense
除了CoolGaN™ BDS外,英飞凌还推出了全新的CoolGaNTM Smart Sense系列。该系列是通过芯片自身沟槽实现电流检测,这一概念在MOS管技术中已有应用,但主要用于低压沟槽型MOS。在实际应用中,目前市场上采用该技术的产品并不多。然而,氮化镓材料在许多应用场景中非常需要内含电流检测功能,据程文涛分享,原因有二:
· 无损检测:该材料通过提取沟槽中的电流进行采样,由于加工元器件时多个晶胞并联使用,晶胞之间需要高度镜像匹配。因此,可以选取几个电芯,将信号放大。这种方式类似于模拟电子中的镜像电流源,通过选取几个电芯的电流信号进行放大,镜像放大其他沟槽的总功率电流。与传统的串联减流电阻方法相比,内含电流检测具有显著优势:无损检测,并且由于氮化镓材料开关速度极快,外部取电流的方法会产生额外的感生电动势和巨大的杂讯,进而导致器件应用问题。
· 应用优势:在氮化镓的应用中,内含电流检测不仅提高了安全性,还避免了为电流检测付出额外的噪声和效率损失。这种技术对于确保器件的可靠性和高效性至关重要。
此外,值得一提的是,CoolGaNTM Smart Sense 产品具有 2 kV 静电放电耐受能力,可连接到控制器电流感应以实现峰值电流控制和过流保护。电流检测响应时间约为 200 ns,等于或小于普通控制器的消隐时间,具有极高的兼容性。
与传统的 150mΩ GaN 晶体管相比,CoolGaN™ Smart Sense 产品在 RDSs(on) (例如 350 mΩ)更高的情况下,能以更低的成本提供类似的效率和热性 能。此外,这些器件与英飞凌的分立 CoolGaN™ 封装脚位兼容,无需进行布局返工和 PCB 重焊,进一步方便了使用英飞凌 GaN 器件的设计。
集成驱动的CoolGaNTM Drive
在GaN的开发过程中,门极驱动设计对用户和市场来说一直是一个难题。时至今日,以电压型驱动为代表的技术路线依然面临这一挑战。据程文涛介绍,“电压型驱动有一个特点,需要把它开通到大概5-6V,但不能超过7V,超过7V门极会损害,留给设计者的设计余量就是1V左右,从完全开通到保证它不损坏,大概只能有1V余量,这对设计者难度很大。“
如何解决这个问题呢?许多公司选择将驱动器与器件集成在一个封装内,这样既能高效驱动器件,又能确保其安全可靠使用。英飞凌的CoolGaN™ Drive就是这样的产品。
这种集成方法的优势在于,无需为了驱动氮化镓器件而降低偏置电压。例如,原来使用硅器件时,驱动电压设置为10V或更高,现在通过CoolGaN™ Drive,可以使用相同的偏置电压驱动氮化镓器件,而不必强行降低电压。这使得CoolGaN™ Drive的使用简单且高效,极大简化了用户的应用过程。
据英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务高级首席工程师宋清亮介绍,集成驱动GaN具有三大优势:首先,对于用户而言操作简单许多。第二,因为现在电源以及各类功率设备的发展都是高功率密度化,越做越小,就需要器件在PCB上要减小尺寸,这种集成化可以大大减小外围贴片的数量,让PCB做的更小,这样集成度会更高。第三,在成本上也会有优势,因为毕竟原来是两个器件再加外围器件,如果把它集成在一起,长期来看,或者相同使用量的情况下,集成的对客户来说物料成本会比原来分立的方案更有优势。“所以从这几点来说,集成是未来一个非常重要的发展方向,甚至在很多领域如果不集成,就很难有应用的场景。”
英飞凌的GaN策略:产品布局拓宽,扩产降低成本
在去年英飞凌成功收购GaN Systems后,通过双方在知识产权、对应用的深刻理解等方面优势互补,进一步巩固了英飞凌在氮化镓领域的市场领导地位,在现有市场中保持竞争优势,同时为未来的发展抢占先机。而另一方面,GaN的产能和可靠性也是其制胜的关键。据悉,英飞凌新一代高压和中压CoolGaN系列完全采用8英寸工艺制造,证明了GaN在更大晶圆直径上的快速扩展能力。
随着GaN的成本降低和高压技术的发展,以及来自客户的接受度提高,可以预见在未来的数据中心、汽车、工业等领域见到更多的GaN应用。在我们看来,英飞凌一直以自身强大且先进的半导体产品和解决方案著长,而此次对于GaN相应产品种类的拓宽,不仅能够加强在领域提供整体解决方案的能力,也会助力于其它产品线的销售。