CoolGaN是英飛凌GaN增強(qiáng)模式高電子遷移率晶體管（E-HEMT）系列產(chǎn)品。最近該公司推出了兩款進(jìn)入量產(chǎn)的產(chǎn)品——CoolGaN 600 V增強(qiáng)型HEMT和GaN開關(guān)管專用驅(qū)動(dòng)IC GaN EiceDRIVER。籍此我們梳理了一下GaN功率器件在全球市場(chǎng)、產(chǎn)品應(yīng)用和技術(shù)特性方面的信息，以及英飛凌相關(guān)業(yè)務(wù)和此次量產(chǎn)產(chǎn)品的細(xì)節(jié)。
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英飛凌的業(yè)務(wù)面
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根據(jù)英飛凌提供的資料顯示，2018年，英飛凌的營(yíng)收達(dá)到75億歐元，利潤(rùn)率達(dá)到17.8%。該公司目前有四個(gè)事業(yè)部，其中汽車電子占43%，電源管理與多元化市場(chǎng)（PMM）占31%，工業(yè)功率控制占17%，數(shù)字化安全解決方案占9%。而在全球市場(chǎng)占有率上，英飛凌的功率半導(dǎo)體和智能卡IC排名第一，汽車電子則位居第二。

圖：2017年全球分立式MOFSFET市場(chǎng)排名

據(jù)英飛凌大中華區(qū)副總裁PMM事業(yè)部負(fù)責(zé)人潘大偉介紹，在PMM市場(chǎng)，英飛凌主要專注于三大領(lǐng)域：能效、物聯(lián)網(wǎng)和高速大數(shù)據(jù)。在能效方面，其產(chǎn)品主要是MOSFET和數(shù)字電源IC、GaN和SiC；在高速大數(shù)據(jù)方面，主要是與傳輸相關(guān)的LNA/開關(guān)、GaN和SiC器件；在物聯(lián)網(wǎng)方面，則是傳感器和雷達(dá)。

“就細(xì)分市場(chǎng)而言，我們?nèi)驙I(yíng)收的75%來自電源產(chǎn)品，25%來自射頻和傳感器?！?潘大偉說，“按區(qū)域分，57%的收入來自大中華區(qū)。我們是目前市場(chǎng)上唯一一家掌握所有高壓電源技術(shù)的企業(yè)，產(chǎn)品涵蓋Si、SiC和GaN等材料，包括CoolMOS、IGBT、CoolGaN和CoolSiC?！?br /> ?

GaN的特性和市場(chǎng)面
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在功率器件中，相對(duì)于Si器件，GaN可以做到高壓下進(jìn)行高頻且無損耗的開關(guān)，可以降低整個(gè)電源系統(tǒng)的成本，提高轉(zhuǎn)化效率，并且具有更高的功率密度，更小的體積和更好的散熱性能。雖然目前在市場(chǎng)應(yīng)用中，Si器件還是居于主流，但在高功率和600V-3.3KV的高壓應(yīng)用上，SiC最具性能優(yōu)勢(shì)，而在100-600V左右的領(lǐng)域，則GaN具有性能優(yōu)勢(shì)。

據(jù)英飛凌科技奧地利股份有限公司PMM資深市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理鄧巍介紹，GaN是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料（WBG），與Si等傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，它能夠讓器件在更高的電壓、頻率和溫度下運(yùn)行。從結(jié)構(gòu)上看，Si是垂直型的結(jié)構(gòu)，GaN是平面型的結(jié)構(gòu)，前者的帶隙是1.1電子伏特，后者則是3.4電子伏特。其實(shí)，GaN材料技術(shù)早在上世紀(jì)60年代就應(yīng)用于LED產(chǎn)品，在電源類產(chǎn)品中則是最近幾年才開始進(jìn)入市場(chǎng)階段。

圖：Si和GaN兩種材料的不同結(jié)構(gòu)決定了其不同的器件特性

鄧巍表示，GaN正處于攀升階段，對(duì)于相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品而言是一個(gè)非常好的時(shí)機(jī)。目前市場(chǎng)上的GaN方案主要有三種趨勢(shì)：1、分立式+外部驅(qū)動(dòng)器；2、多片集成。開關(guān)和驅(qū)動(dòng)雖然是不同的襯底，但是封裝在同一個(gè)殼里；3、單片集成。即將GaN的開關(guān)、驅(qū)動(dòng)和其他器件作為同襯底進(jìn)行集成。就成熟度來而言，分立式器件目前最成熟，GaN則可以在多片集成和單片集成中體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，因而漸成趨勢(shì)。英飛凌的GaN方案是三種都有。

圖：GaN功率器件應(yīng)用增長(zhǎng)迅速

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600V CoolGaN的特性

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據(jù)鄧巍介紹，英飛凌這款增強(qiáng)型HEMT采用常閉概念，以獲得最長(zhǎng)的使用壽命。常閉概念可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)重要功能，其一P-GaN電阻柵的柵極電壓超出正向電壓時(shí)空穴注入；其二P-GaN漏極接觸，避免了電流崩潰。

“由于目前用戶更為熟悉常關(guān)式概念，所以，英飛凌在技術(shù)細(xì)節(jié)和工藝上做了一些改動(dòng)，在柵極加了P-，做成一個(gè)市場(chǎng)比較容易理解的常關(guān)型器件?！编囄〗忉尩?，“此外，動(dòng)態(tài)RDS(ON)是GaN一個(gè)棘手的問題，英飛凌通過引入P-解決了這個(gè)問題。動(dòng)態(tài)RDS(ON)有很多電子在開關(guān)的時(shí)候被漏級(jí)的電子陷在里面不流通，引入P-可以把表面的電子中和掉，由此解決根本問題。”據(jù)悉，這個(gè)結(jié)構(gòu)目前只有英飛凌和松下可以使用。

圖：英飛凌GaN增強(qiáng)模式高電子遷移率晶體管用常閉概念

總的來看，CoolGaN 600 V增強(qiáng)型HEMT具有很好的優(yōu)值系數(shù)（FOM），由于其柵極電荷極低，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，因此其工作頻率很高，并縮小了被動(dòng)元器件的總體尺寸，提高了功率密度。該器件的PFC變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達(dá)到160 W/in3（3.6 kW LLC能效 > 98%）。在諧振拓?fù)渲?，CoolGaN線性輸出電容可將死區(qū)時(shí)間縮短至1/8到1/10。

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Eice DRIVER 驅(qū)動(dòng)芯片的特性

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由于常閉概念功率器件目前只有英飛凌和松下能做，所以這款600V CoolGaN需要配備專用的驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該器件的等效電路的柵極是一個(gè)二極管進(jìn)行自鉗斷式阻性柵極，其內(nèi)部可將VGS鉗位到安全范圍，可靠性非常高。據(jù)鄧巍介紹，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)斷氮化鎵開關(guān)。在開關(guān)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，該器件可以使柵極電壓穩(wěn)定保持為零。這可保護(hù)GaN開關(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。GaN柵極驅(qū)動(dòng)IC可實(shí)現(xiàn)恒定的GaN HEMT開關(guān)轉(zhuǎn)換速率，幾乎不受工作循環(huán)或開關(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，可在硬開關(guān)和軟開關(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)。

“驅(qū)動(dòng)有一些特殊性。并不是所有的客戶都有很好的研發(fā)能力來驅(qū)動(dòng)GaN的產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)不好就代表它的優(yōu)勢(shì)不能最大化?！?鄧巍說，“我們深刻體會(huì)到客戶有這個(gè)需求，所以自主研發(fā)了GaN的三款不同的驅(qū)動(dòng)器，這些專有高壓GaN驅(qū)動(dòng)芯片配合GaN開關(guān)共同使用，具有最佳的穩(wěn)健性，最好的效率和最小的研發(fā)投入。”

圖：專有GaN驅(qū)動(dòng)芯片的主要優(yōu)勢(shì)