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功率半导体全球老大的氮化镓(GaN)新布局

英飞凌最新推出氮化镓(GaN)解决方案CoolGaN 600 V增强型HEMT和氮化镓开关管专用驱动IC(GaN EiceDRIVER IC)。

50多年前的材料,如今在电源领域风生水起

它就是氮化镓,最早在60年代应用于LED产品,近几年在电源类产品打开市场。

硅材料仍然是当前电源产品的主流,氮化镓定位在高功率、高电压的场景,集中在600V至 3.3kv。中低压集中在100-600V。氮化镓还具有高频无损耗开关的特性。


目前,市场上氮化镓解决方案分为三种:
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子里;
3.单片集成,氮化镓的开关、驱动、其他器件作为同衬底的一个解决方案。

分立式方案是目前最成熟的一种解决方案,氮化镓在多片集成与单片集成中体现出优势。

英飞凌提供覆盖这三种形式的解决方案。

英飞凌保持功率半导体的绝对领先

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介绍,英飞凌电源管理与多元化市场事业部(PMM)专注于三大领域:能效、物联网、快速的大数据。

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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

在能效方面,有性能领先的MOSFET和数字电源IC、氮化镓/碳化硅;在高速的大数据方面,通过LNA/开关、碳化硅/氮化镓在基站实现出色的数据传输;在物联网方面,有同类领先的传感器和雷达。

分立式功率MOSFEET 2017年整体市场份额是66.5亿,英飞凌占了26.3%,保持绝对领先。

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从PMM全球的营业额来看,25%来自射频和传感器,75%来自电源。按区域,大中华区占比全球的57%。近来英飞凌投资300mm晶圆制造,稳健扩大产能。

预计未来十年,基于氮化镓的器件市场总值有望超过10亿美元。其中电源类产品占整个市场比重约40%,汽车应用起步晚成长快,将是一大应用领域。

氮化镓(GaN)解决方案的独门武艺

CoolGaN 600 V增强型HEMT

11月,英飞凌推出氮化镓(GaN)解决方案CoolGaN 600 V增强型HEMT和氮化镓开关管专用驱动IC(GaN EiceDRIVER IC)。它们具备更高功率密度,可实现更加小巧、轻便的设计,从而降低系统总成本和运行成本,以及减少资本支出。随着CoolGaN 600 V增强型HEMT和GaN EiceDRIVER栅极驱动IC的推出,目前,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。

最新发布的CoolGaN 600 V增强型HEMT采用可靠的常闭概念,它经专门优化,可实现快速开通和关断。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。

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详细分析这款最新的CoolGaN 600 V增强型HEMT。

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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

P型氮化镓电阻栅,栅极电压超出正向电压时空穴注入,如果不在栅极做任何的电压动作,它中间有一个二维电子器的层,电子在中间流动。

 

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英飞凌在技术细节和工艺上做了一些改动,在栅极加了P-,做出了市场容易接受的常关型器件。

氮化镓有一个业界比较棘手的问题叫做动态RDS(ON),解决问题的关键在于就是把P-引入,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,这样会造成影响。把P-放入后,中和表面的电子,P型氮化镓漏极接触,避免电流崩溃。这个结构只有英飞凌和松下可以用,这英飞凌工艺领先的表现。

氮化镓在高频情况下能够无损耗地进行开关,引入贴片式封装,进深参数比较小,可以发挥最大效率。SMD封装散热性能更好,。英飞凌可以根据不同的客户、不同的需求提供不同封装的产品。

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英飞凌CoolGaN 600 V增强型HEMT在功率因数校正(PFC)变流器里具有超高的能效(2.5 kW PFC能效 > 99.3%)。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八分之一到十分之一。

氮化镓开关管专用驱动IC(GaN EiceDRIVER IC)

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。

邓巍解析,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。这个结构只有英飞凌和松下能够拥有。这个等效电路提供这些优势的同时,可靠性也非常高,所以氮化镓也会保证在业界最好的质量。

在开关应处于关闭状态的整个持续时间内,GaN EiceDRIVER IC可以使栅极电压稳定保持为零。这可保护氮化镓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。

氮化镓栅极驱动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。

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英飞凌具备CoolGaN 制造完整的供应链。研发、质量、前端、后端、仓库等分布在全球多个地方。英飞凌氮化镓产品的高研发投入也使其从工艺层到封装、测试等等都可以在英飞凌内部完成,并促进研发多片集成、单片集成等解决方案。

采用CoolGaN设计更高效电源产品

Bel Power Solutions研发部电子设计助理经理陈伟表示,Bel Power Solutions与英飞凌合作多年,在很多电源产品中都采用了英飞凌的功率半导体器件。通过采用英飞凌CoolGaN产品,Bel Power Solutions能够为客户提供更高效率、更高功率密度的电源产品。

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Bel Power Solutions研发部电子设计助理经理陈伟

Bel Power Solutions采用英飞凌的CoolGaN设计了一款超高性能的ACDC电源,应用于数据中心。主要性能是输入电压是180-305Vac,它的输出电压是42-58V;输出功率是6KW/125A;产品尺寸是107.5x440x41mm;峰值效率是 >97.5%,超越了80+效率认证最高标准-钛金效率的要求,在业界做到了非常高的效率;在10-100%负载段都保持>97%效率 ;功率密度: 50W/in3。通过应用氮化镓器件,让整个电源的设计超高效率,在体积方面做到最好的优化。

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目前可在线购买2.5kW全桥图腾柱PFC评估板,基于英飞凌氮化镓等功率器件的优势,将服务器电源以及电信整流器等关键应用的系统效率提升至99%以上。 还可订购电信整流器3.6KW LLC,此外实验室评估板高频(1MHz)板桥平台即将面世。

原创
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