英飞凌CoolGaN技术开启电力电子新时代

英飞凌的总体战略是将当今的每一项尖端硅技术与宽带对应技术相结合。基于市场上已经推出的 CoolSiC™ 技术，英飞凌推出了全新的 CoolGaN™ 解决方案，这些解决方案完善了 CoolMOS™ 产品组合的超级器件。此外，在开发过程中，CoolGaN™ 技术将扩展到 100 伏和 200 伏，以完善 OptiMOS™ 技术组合。

介绍

效率是所有部门的关键要素。在电源应用中，更高的效率可以实现更高的功率密度，不仅可以产生更小的解决方案，而且还可以提供关键基础设施元素(例如数据中心和联网电动汽车)所需的功率水平。更高的效率对于启用电源管理系统以降低为数十亿台设备供电的总成本也至关重要。这些要求推动了支持更高转换效率的半导体材料的研究和开发。

基于硅衬底的功率半导体对高压操作有充分记录的限制。业界通过采用特性更适合电源应用的材料解决了这些问题，例如能够在更高的开关频率下工作以最大限度地减少开关损耗。在GaN基器件已经出现在市场上，近年来一直一个特殊的除了电源设计师的工具箱，可实现约98%的总体AC / DC转换效率。

今天的功率半导体行业提供基于广泛技术组合的分立解决方案和模块，包括基于硅的超级结MOSFET和绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、基于 SiC 的器件，例如肖特基二极管和 MOSFET，以及 GaN e-mode高电子迁移率晶体管 (HEMT)。

英飞凌配备了业界唯一的 300 毫米功率半导体晶圆厂，相信它在利用宽带隙材料所呈现的增长机会方面处于良好的市场地位。GaN RF 晶体管是一项成熟的技术，近年来已进入大批量生产。英飞凌表示，其 CoolMOS 超级结 (SJ) MOSFET 产品在传导、开关和驱动损耗方面具有卓越的性能，并为能效、功率密度和易用性设立了新标准。英飞凌表示，CoolSiC 和 CoolGaN 能够设计出极其高效和紧凑的系统，以满足对更环保产品的需求(图 1)。

图 1：电力电子的宽带隙策略。(图片：英飞凌)

氮化镓技术

自 1990 年代以来，GaN 已普遍用于高亮度二极管。该材料的晶体结构适合用于光电子、高功率应用以及需要减少开关时间的应用。它的定义特征是它是带有铝 (Al) 层的压电体。GaN 可确保 3.4 电子伏特的带隙，而等效硅的带隙为 1.12 电子伏特。宽带隙允许 GaN 器件在断裂发生和器件变得无法使用之前承受比相同尺寸的硅等效得多的电场。高击穿电场不仅消除了对电压转换器的需要，而且还潜在地提高了它们的效率。

GaN 器件的高输出功率密度使得实现具有更小的损耗和尺寸的器件成为可能，从而在设计阶段简化了它们的布局。宽带隙允许即使在高温下也能工作。GaN 器件的工作频率也高于硅等效器件，开关速度是其 10 倍。

氮化镓演进

在电源应用中，晶体管通过使用电压作为控制元件来充当开关。设备内部流动的电流与一般电源相同，因此必须保持在有效的能量水平。

为了最大限度地提高效率，大量的研究和开发工作投入到替代方法中，例如 GaN-on-silicon。

英飞凌的 CoolGaN HEMT 器件采用 GaN-on-Si 工艺，该器件具有 e-mode 结构，可在降低系统成本的同时实现高效率。据英飞凌称，增强模式提供了开启和关闭速度，以及在芯片上实现更好集成的可能性。

GaN HEMT 是具有侧向电流的平面器件。过渡层在硅衬底上外延生长以提供更好的匹配。然后沉积额外的 GaN、AlGaN 和 p 掺杂 GaN 层(图 2)。

图 2：HEMT CoolGaN 晶体管的结构。(图片：英飞凌)

CoolMOS 技术已用于电源设计多年，但传统的硅 MOSFET 存在与反向恢复电荷相关的限制。根据英飞凌的说法，GaN 晶体管的源极和栅极之间没有本征二极管消除了反向恢复电荷，因此适合将 GaN 技术用于硬开关功率半桥解决方案，例如功率因数校正 (PFC) 电路在连续电流模式下运行并实现极高的效率。

漏极和源极之间的电阻或 R DS (on) 是选择功率晶体管的关键参数，开关对栅极电压极性的反应速度也是如此。具有低电阻的晶体管是必不可少的。使用 GaN-on-Si 制造 HEMT 功率器件提供了显着的品质因数 (FOM) 优势，但要充分利用这些优势，必须将功率晶体管与最佳栅极驱动器相结合。根据英飞凌的说法，CoolGaN 晶体管允许开发以前无法实现的功率转换拓扑，而不会对控制技术(驱动器)进行实质性且昂贵的更改。

CoolGaN 晶体管中的 R DS(ON)温度系数明显低于硅晶体管，这代表了英飞凌所说的关于传导损耗的合理效率程度。从 ON 过渡到 OFF 期间的过渡是开关速度方面的另一个重要考虑因素。CoolGaN 晶体管表现出更线性的行为，其输出电荷 (Q oss ) 低于使用硅晶体管观察到的电荷。低输出电荷导致开关转换速度比硅晶体管快 10 倍，E oss能量(存储在 Q oss 中的能量)为 25% 。在CoolGaN 和超结晶体管之间的 R DS(ON) 比较中，CoolGaN Q发现oss大约低 10 倍(图 3)。

图 3：GaN 与超结晶体管的Q oss。(图片：英飞凌)

以高于 200 kHz 的频率进行开关可实现能量的快速传输，从而消除死区时间。对于硅晶体管，需要采取设计措施，例如增加损耗。英飞凌表示，CoolGaN 即使在高开关频率下也能提供高效率，从而进一步减小电源转换器的尺寸和重量。

同时，栅极电荷 (Q g ) 会影响晶体管的开关速度。低栅极电荷是功率晶体管的理想特性。据英飞凌称，与其他 GaN 解决方案相比，CoolGaN 晶体管的 Q g降低了大约七倍。

HEMT CoolGaN 器件的大部分运行优势源自其在非常高的频率下工作的能力，但高频运行会受到封装导体寄生阻抗的影响。因此，CoolGaN 产品是表面贴装器件。

图 4：CoolGaN 100-V、3-mΩ 器件与 OptiMOS BSC026N08NS5 的首次测试显示出显着的优势。(图片：英飞凌)

CoolGaN 系列由英飞凌的 EiceDRIVER 栅极驱动器支持，该公司表示该驱动器可在输入和输出通道之间提供出色的隔离以及快速切换。英飞凌报告称，使用 EiceDRIVER GaN 将提供实现更高功率密度所需的低损耗。据该公司称，早期测试表明，与给定外形尺寸(在本例中为四分之一砖转换器)的最新硅技术相比，100 V 的 CoolGaN 可实现高出 40% 的功率。

图 5：CoolGaN 解决方案。(图片：英飞凌)

600G 系列 CoolGaN 器件针对电信、数据通信和 SMPS 服务器设备以及其他工业和消费类应用进行了优化(图 4 和 5)。

图 6：服务器应用中的 CoolGaN。(图片：英飞凌)

谷歌是第一家在其数据中心的处理端使用 48V 电源系统的公司，这可能为超大规模数据中心设定新标准。显然，提供 48 V 电压的 AC/DC 电源转换器是一个关键部件。据英飞凌称，CoolGaN 技术可在数据中心应用中为每个机架提供更多功率(图 6 和 7)。

图 7：Bel Power 基于 CoolGaN 的 6 kW 服务器电源(240 V AC(输入)，48 V输出)的效率曲线。(图片：贝尔电源)

结论

对更高效的电源转换的需求是每个电子技术支持领域的基本问题。虽然硅解决方案运行良好，但英飞凌认为其超越传统硅技术的战略将实现完全合格、可靠、更环保的电源解决方案。

　　审核编辑：汤梓红