英飛凌CoolGaN技術開啟電力電子新時代?

英飛凌的總體戰略是將當今的每一項尖端硅技術與寬帶對應技術相結合。基于市場上已經推出的 CoolSiC? 技術，英飛凌推出了全新的 CoolGaN? 解決方案，這些解決方案完善了 CoolMOS? 產品組合的超級器件。此外，在開發過程中，CoolGaN? 技術將擴展到 100 伏和 200 伏，以完善 OptiMOS? 技術組合。

介紹

效率是所有部門的關鍵要素。在電源應用中，更高的效率可以實現更高的功率密度，不僅可以產生更小的解決方案，而且還可以提供關鍵基礎設施元素(例如數據中心和聯網電動汽車)所需的功率水平。更高的效率對于啟用電源管理系統以降低為數十億臺設備供電的總成本也至關重要。這些要求推動了支持更高轉換效率的半導體材料的研究和開發。

基于硅襯底的功率半導體對高壓操作有充分記錄的限制。業界通過采用特性更適合電源應用的材料解決了這些問題，例如能夠在更高的開關頻率下工作以最大限度地減少開關損耗。在GaN基器件已經出現在市場上，近年來一直一個特殊的除了電源設計師的工具箱，可實現約98%的總體AC / DC轉換效率。

今天的功率半導體行業提供基于廣泛技術組合的分立解決方案和模塊，包括基于硅的超級結MOSFET和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、基于 SiC 的器件，例如肖特基二極管和 MOSFET，以及 GaN e-mode高電子遷移率晶體管 (HEMT)。

英飛凌配備了業界唯一的 300 毫米功率半導體晶圓廠，相信它在利用寬帶隙材料所呈現的增長機會方面處于良好的市場地位。GaN RF 晶體管是一項成熟的技術，近年來已進入大批量生產。英飛凌表示，其 CoolMOS 超級結 (SJ) MOSFET 產品在傳導、開關和驅動損耗方面具有卓越的性能，并為能效、功率密度和易用性設立了新標準。英飛凌表示，CoolSiC 和 CoolGaN 能夠設計出極其高效和緊湊的系統，以滿足對更環保產品的需求(圖 1)。

圖 1：電力電子的寬帶隙策略。(圖片：英飛凌)

氮化鎵技術

自 1990 年代以來，GaN 已普遍用于高亮度二極管。該材料的晶體結構適合用于光電子、高功率應用以及需要減少開關時間的應用。它的定義特征是它是帶有鋁 (Al) 層的壓電體。GaN 可確保 3.4 電子伏特的帶隙，而等效硅的帶隙為 1.12 電子伏特。寬帶隙允許 GaN 器件在斷裂發生和器件變得無法使用之前承受比相同尺寸的硅等效得多的電場。高擊穿電場不僅消除了對電壓轉換器的需要，而且還潛在地提高了它們的效率。

GaN 器件的高輸出功率密度使得實現具有更小的損耗和尺寸的器件成為可能，從而在設計階段簡化了它們的布局。寬帶隙允許即使在高溫下也能工作。GaN 器件的工作頻率也高于硅等效器件，開關速度是其 10 倍。

氮化鎵演進

在電源應用中，晶體管通過使用電壓作為控制元件來充當開關。設備內部流動的電流與一般電源相同，因此必須保持在有效的能量水平。

為了最大限度地提高效率，大量的研究和開發工作投入到替代方法中，例如 GaN-on-silicon。

英飛凌的 CoolGaN HEMT 器件采用 GaN-on-Si 工藝，該器件具有 e-mode 結構，可在降低系統成本的同時實現高效率。據英飛凌稱，增強模式提供了開啟和關閉速度，以及在芯片上實現更好集成的可能性。

GaN HEMT 是具有側向電流的平面器件。過渡層在硅襯底上外延生長以提供更好的匹配。然后沉積額外的 GaN、AlGaN 和 p 摻雜 GaN 層(圖 2)。

圖 2：HEMT CoolGaN 晶體管的結構。(圖片：英飛凌)

CoolMOS 技術已用于電源設計多年，但傳統的硅 MOSFET 存在與反向恢復電荷相關的限制。根據英飛凌的說法，GaN 晶體管的源極和柵極之間沒有本征二極管消除了反向恢復電荷，因此適合將 GaN 技術用于硬開關功率半橋解決方案，例如功率因數校正 (PFC) 電路在連續電流模式下運行并實現極高的效率。

漏極和源極之間的電阻或 R DS (on) 是選擇功率晶體管的關鍵參數，開關對柵極電壓極性的反應速度也是如此。具有低電阻的晶體管是必不可少的。使用 GaN-on-Si 制造 HEMT 功率器件提供了顯著的品質因數 (FOM) 優勢，但要充分利用這些優勢，必須將功率晶體管與最佳柵極驅動器相結合。根據英飛凌的說法，CoolGaN 晶體管允許開發以前無法實現的功率轉換拓撲，而不會對控制技術(驅動器)進行實質性且昂貴的更改。

CoolGaN 晶體管中的 R DS(ON)溫度系數明顯低于硅晶體管，這代表了英飛凌所說的關于傳導損耗的合理效率程度。從 ON 過渡到 OFF 期間的過渡是開關速度方面的另一個重要考慮因素。CoolGaN 晶體管表現出更線性的行為，其輸出電荷 (Q oss ) 低于使用硅晶體管觀察到的電荷。低輸出電荷導致開關轉換速度比硅晶體管快 10 倍，E oss能量(存儲在 Q oss 中的能量)為 25% 。在CoolGaN 和超結晶體管之間的 R DS(ON) 比較中，CoolGaN Q發現oss大約低 10 倍(圖 3)。

圖 3：GaN 與超結晶體管的Q oss。(圖片：英飛凌)

以高于 200 kHz 的頻率進行開關可實現能量的快速傳輸，從而消除死區時間。對于硅晶體管，需要采取設計措施，例如增加損耗。英飛凌表示，CoolGaN 即使在高開關頻率下也能提供高效率，從而進一步減小電源轉換器的尺寸和重量。

同時，柵極電荷 (Q g ) 會影響晶體管的開關速度。低柵極電荷是功率晶體管的理想特性。據英飛凌稱，與其他 GaN 解決方案相比，CoolGaN 晶體管的 Q g降低了大約七倍。

HEMT CoolGaN 器件的大部分運行優勢源自其在非常高的頻率下工作的能力，但高頻運行會受到封裝導體寄生阻抗的影響。因此，CoolGaN 產品是表面貼裝器件。

圖 4：CoolGaN 100-V、3-mΩ 器件與 OptiMOS BSC026N08NS5 的首次測試顯示出顯著的優勢。(圖片：英飛凌)

CoolGaN 系列由英飛凌的 EiceDRIVER 柵極驅動器支持，該公司表示該驅動器可在輸入和輸出通道之間提供出色的隔離以及快速切換。英飛凌報告稱，使用 EiceDRIVER GaN 將提供實現更高功率密度所需的低損耗。據該公司稱，早期測試表明，與給定外形尺寸(在本例中為四分之一磚轉換器)的最新硅技術相比，100 V 的 CoolGaN 可實現高出 40% 的功率。