CoolGaN是英飛凌GaN增強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入量產(chǎn)的產(chǎn)品——CoolGaN 600 V增強型HEMT和GaN開關(guān)管專用驅(qū)動IC GaN EiceDRIVER。籍此我們梳理了一下GaN功率器件在全球市場、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，英飛凌的營收達到75億歐元，利潤率達到17.8%。該公司目前有四個事業(yè)部，其中汽車電子占43%，電源管理與多元化市場（PMM）占31%，工業(yè)功率控制占17%，數(shù)字化安全解決方案占9%。而在全球市場占有率上，英飛凌的功率半導體和智能卡IC排名第一，汽車電子則位居第二。

圖：2017年全球分立式MOFSFET市場排名

據(jù)英飛凌大中華區(qū)副總裁PMM事業(yè)部負責人潘大偉介紹，在PMM市場，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。

“就細分市場而言，我們?nèi)驙I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的特性和市場面
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在功率器件中，相對于Si器件，GaN可以做到高壓下進行高頻且無損耗的開關(guān)，可以降低整個電源系統(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，而在100-600V左右的領(lǐng)域，則GaN具有性能優(yōu)勢。

據(jù)英飛凌科技奧地利股份有限公司PMM資深市場營銷經(jīng)理鄧巍介紹，GaN是一種寬禁帶半導體材料（WBG），與Si等傳統(tǒng)的半導體材料相比，它能夠讓器件在更高的電壓、頻率和溫度下運行。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，GaN材料技術(shù)早在上世紀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入市場階段。

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，對于相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品而言是一個非常好的時機。目前市場上的GaN方案主要有三種趨勢：1、分立式+外部驅(qū)動器；2、多片集成。開關(guān)和驅(qū)動雖然是不同的襯底，但是封裝在同一個殼里；3、單片集成。即將GaN的開關(guān)、驅(qū)動和其他器件作為同襯底進行集成。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，因而漸成趨勢。英飛凌的GaN方案是三種都有。

圖：GaN功率器件應(yīng)用增長迅速

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600V CoolGaN的特性

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據(jù)鄧巍介紹，英飛凌這款增強型HEMT采用常閉概念，以獲得最長的使用壽命。常閉概念可實現(xiàn)兩個重要功能，其一P-GaN電阻柵的柵極電壓超出正向電壓時空穴注入；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)細節(jié)和工藝上做了一些改動，在柵極加了P-，做成一個市場比較容易理解的常關(guān)型器件?！编囄〗忉尩?，“此外，動態(tài)RDS(ON)是GaN一個棘手的問題，英飛凌通過引入P-解決了這個問題。動態(tài)RDS(ON)有很多電子在開關(guān)的時候被漏級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)異的動態(tài)性能，因此其工作頻率很高，并縮小了被動元器件的總體尺寸，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到160 W/in3（3.6 kW LLC能效 > 98%）。在諧振拓撲中，CoolGaN線性輸出電容可將死區(qū)時間縮短至1/8到1/10。

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Eice DRIVER 驅(qū)動芯片的特性

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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)動芯片進行驅(qū)動。該器件的等效電路的柵極是一個二極管進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IC，這個針對英飛凌CoolGaN量身定制的柵極驅(qū)動IC可提供負輸出電壓，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)的整個持續(xù)時間內(nèi)，該器件可以使柵極電壓穩(wěn)定保持為零。這可保護GaN開關(guān)不受噪音導致誤接通的影響，哪怕是首脈沖，這對于SMPS實現(xiàn)強健運行至關(guān)重要。GaN柵極驅(qū)動IC可實現(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)用中實現(xiàn)強健運行。它還可在SMPS一次側(cè)和二次側(cè)之間提供保護，并可根據(jù)需要在功率級與邏輯級之間提供保護。

“驅(qū)動有一些特殊性。并不是所有的客戶都有很好的研發(fā)能力來驅(qū)動GaN的產(chǎn)品，驅(qū)動不好就代表它的優(yōu)勢不能最大化。” 鄧巍說，“我們深刻體會到客戶有這個需求，所以自主研發(fā)了GaN的三款不同的驅(qū)動器，這些專有高壓GaN驅(qū)動芯片配合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?！?/div>