567gan 英飞凌CoolGaN解决氮化镓功率器件可靠性、成本等挑战

氮化镓和碳化硅可以在高电压、高开关频率的条件下实现高功率效率，前景广阔。但是氮化镓比碳化硅有更多的成本优势，因此在未来会得到快速应用。然而，对于氮化镓功率器件，最重要的挑战是可靠性、成本和驱动。最近英飞凌推出酷派600 V增强型HEMT和gan开关管专用驱动IC解决相关问题。

最近，英飞凌大中华区副总裁兼电源管理和多元化市场部门负责人潘大伟在接受《半导体器件应用》杂志记者采访时表示，酷派是开启节能之门的关键。由于工作电压较高，因此具有开关频率较高、有源层较薄、功率密度扩散、散热能力提高等特点。因此，它可以实现提高效率、更稳定可靠、更高的功率密度、减小系统尺寸、简化控制和降低系统成本的优点。

英飞凌电源管理与多元化市场事业部高压GaN高级产品营销经理邓伟博士表示，酷GaN的FOM在目前市场上所有600 V器件中首屈一指，开关的栅极电荷极低，输出电容极少，可以在反向导通状态下提供出色的动态性能，从而通过减小无源元件的整体尺寸，大大提高工作频率，提高功率密度。同时，CoolGaN在功率因数校正(PFC)变换器中具有较高的能效(2.5 kW PFC能效>:99.3%)，相同能效下的功率密度可达160 W/in3(3.6 kW LLC能效>:98%)。另外，在谐振拓扑中，CoolGaN线性输出电容可以将死区时间缩短到八分之一到十分之一。

可靠性的行业领导者

可靠性是氮化镓功率器件面临的最大挑战。对此，英飞凌表示:“我们的GaN HEMT是为大规模生产而设计、开发和发布的。质量永远是我们需要保证的第一要素，我们的目标是在整个生命周期内达到1FIT以下。放眼市场，酷干具有业界领先的可靠性。在质量控制过程中，我们不仅要全面测试设备本身，还要全面测试其在应用环境中的性能。这确保了酷派交换机达到甚至超过最高质量标准。

这是由于酷派可靠的常闭概念，只有松下和英飞凌才有。

邓伟博士认为，氮化镓器件作为一种常开器件，很难被客户应用和接受。因为用户对硅器件或者其他器件的常闭概念非常熟悉，并形成习惯。为了解决这个问题并最大限度地延长氮化镓器件的使用寿命，英飞凌的酷派600伏增强型HEMT采用了业界独一无二的常闭概念解决方案。

据其介绍，氮化镓作为第三代半导体器件，中间有一层二维电子器件，电子会在中间流动，如果栅极没有电压作用的话。但英飞凌栅极加了P型氮化镓，把氮化镓做成常关器件。

另一方面，动态RDS(ON)对GaN来说是个棘手的问题，邓伟说英飞凌可以解决这个问题。解决问题的关键在于P型GaN的漏极接触，以避免电流崩溃。因为电子被截留在内部，开关时不循环，这样会有影响。引入P型氮化镓后，表面的电子可以被中和，可以从根本上解决问题。

此外，据介绍，英飞凌氮化镓产品的等效电路的栅极为阻性栅极，有一个二极管用于自箝位阻性栅极:阻性栅极将VGS箝位在安全范围内。高栅极电流可以实现快速导通，因此是一种鲁棒的栅极驱动拓扑。

邓伟还表示，竞争对手使用的可靠性模型往往非常激进，表现出最好的情况，尤其是没有解决RDS(ON)的问题，会导致使用寿命降低。英飞凌总是表现出保守的模式。英飞凌的产品使用寿命在10年以上，数据参数会考虑很多余量。“我们的动态RDS(on)为0，我们有更稳定的网格概念，我们有特殊的资质认证方法。因此，英飞凌的氮化镓是业内最可靠的产品。”

专用驱动器更加可靠和高效

除了可靠性问题，因为氮化镓的开关频率很快，很难匹配驱动IC。所以氮化镓器件供应商必须提供定制的驱动IC，英飞凌也不例外。

邓伟说，驱动氮化镓功率器件要考虑一些特殊性。首先氮化镓必须有稳态传导电流才能保持导通，然后需要负脉冲才能关断。负电流也需要负电压才能关断，所以稳态导通电流加上负电压的关断会给功率驱动设计带来很大的挑战。并不是所有的客户都有很好的研发能力来驱动GaN，驱动不好就无法最大化其优势。“我们非常了解客户的需求，因此我们独立开发了三种不同的氮化镓驱动程序。”

据报道，英飞凌氮化镓开关晶体管集成电路——1EDF5673K、1EDF5673F和1eds 5663h——是酷派增强型HEMT的完美合作伙伴。它们是专门为确保酷派(CoolGaN)开关的稳健高效运行而开发的，同时最大限度地减少了工程师的研发工作量，加快了产品推向市场的速度。

与传统功率MOSFET的栅极驱动IC不同，这种为Infineon CoolGaN定制的栅极驱动IC可以提供负输出电压，快速关断氮化镓开关。当开关处于关断状态时，氮化镓集成电路可以在整个时间内保持栅极电压稳定在零。这可以保护氮化镓开关免受噪声的影响，即使在第一个脉冲中也是如此，这对于SMPS的稳健运行非常重要。然而，这些氮化镓栅极驱动器集成电路可以实现恒定的氮化镓HEMT开关速率，几乎不受占空比或开关速度的影响。这确保了稳健的运行和高能效，并大大缩短了R&D周期。它集成了电气隔离，可在硬开关和软开关应用中实现鲁棒操作。它还可以在SMPS的初级侧和次级侧之间提供保护，并且可以根据需要在功率级和逻辑级之间提供保护。

降低成本，加快推广

成本是未来氮化镓技术广泛应用的主要障碍。目前氮化镓器件的价格是硅器件的6倍左右。但邓伟对降低氮化镓成本充满信心。

他认为，首先，氮化镓具有整体系统成本优势。氮化镓的优点是可以使拓扑结构更加紧凑，这是单个器件的成本无法体现的，必须考虑整个系统的成本。其次，氮化镓是新产品，未来随着数量的增加，成本自然会降低。而且现在很多厂商都在开发更大的晶圆，晶粒尺寸会减小，也就是说单个晶圆的数量会更多，然后成本会降低。因此，未来氮化镓的成本会大大降低，氮化镓与硅的差距会越来越小。

邓伟说，氮化镓现在发展很快。未来氮化镓基器件的总市值有望超过10亿美元，电力产品约占整个市场的40%。英飞凌专注于氮化镓五六个目标应用，如服务器、电池、无线充电、音频、适配器等应用。“我们希望在更多领域尝试我们的氮化镓产品。我们还与客户和经销商合作，探索如何将氮化镓应用于更多领域，如太阳能、照明、消费电子和电视。”