英飞凌实现GaN技术突破——单片高压CoolGaN BDS大幅简化双向开关设计GaN

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（GaN）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，英飞凌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CoolGaN^TM Transistor（即原来的Discrete，单管类型产品）、CoolGaN^TM BDS（双向开关）、CoolGaN^TM Smart Sense（包含电流检测或其他智能功能）、CoolGaN^TM Drive（集成驱动）、CoolGaN^TM 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CoolGaN^TM 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CoolGaN^TM 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CoolGaN^TM晶体管电压等级。

CoolGaN^TM 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双向开关。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CoolGaN^TM Smart Sense

除了CoolGaN™ BDS外，英飞凌还推出了全新的CoolGaN^TM 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，CoolGaN^TM 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CoolGaN^TM 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，不仅能够加强英飞凌在GaN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。