收购GaN Systems后，英飞凌的GaN 产品线突飞猛进

电子发烧友网报道（文/黄晶晶）2023年10月，英飞凌成功收购GaN Systems，后者是在氮化镓芯片设计领域，有着独特的技术和产品积累的公司。英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务市场总监程文涛表示，英飞凌在收购GaN Systems后，氮化镓产品品类大幅增加，进而让英飞凌在氮化镓领域的IP储量更加领先。双方研发资源的整合和应用人员的协作，产生更多设计思想的火花，拓宽了技术研发的思路，同时也大幅度提升了产品从研发到上市的速度。
 

图：英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务市场总监程文涛

 

GaN 产品线扩充

 
英飞凌在收购GaN Systems前主要提供两类氮化镓产品，即分立式功率器件和集成式功率器件。收购后品类由两类增加至五类。第一类叫CoolGaN Transistor，也就是原来的单管。第二类是CoolGaN BDS双向开关，第三类CoolGaN Smart Sense，是内部包含电流检测或者其他检测功能的器件。第四类CoolGaN Drive类似以前集成的驱动器器件，第五类CoolGaN Control集成控制、驱动和开关功能的器件。
 
英飞凌的CoolGaN Transistor器件覆盖中压、高压，且只做增强型器件，并同时拥有电压型驱动和电流型驱动两种技术。英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务高级首席工程师宋清亮分析，现在增强型的氮化镓有两种门极结构即电流型驱动和电压型驱动。电流型驱动是指如果让氮化镓维持开通，必须要有一个电流，大概在几个毫安到十多个毫安。电压型驱动则是在打开之后不需要任何电流。
 

图：英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务高级首席工程师宋清亮

 
“之所以有电流型驱动这种结构，是因为氮化镓器件开通速度非常快。它的导通电压很低，大概1V左右（1.1V、1.2V），这时候把它开通和关断很容易产生噪声，让它误开通或者误关断。电流型的好处是可以大大抑制这种错误动作的发生。只给它电压很难达到完全的开通，需要电流，这样整个氮化镓开通工作的可靠性会大幅提高。”宋清亮说道。
 
现在业界只有英飞凌有这种电流型驱动技术，收购GaN Systems之后增加电压型驱动，客户可以根据自己的设计能力和应用环境自行选择。
 
CoolGaN BDS拥有出色的软开关和硬开关性能，提供40 V、650 V 和 850 V电压双向开关，适用于移动设备USB端口、电池管理系统、逆变器和整流器等。
 

 
据介绍，CoolGaN BDS 40 V是一款基于英飞凌肖特基栅极氮化镓自主技术的常闭单片双向开关。它能阻断两个方向的电压，并且通过单栅极共源极的设计进行了优化，以取代电池供电消费产品中用作断开开关的背对背 MOSFET。首款40 V CoolGaN BDS产品的 RDS(on) 值为 6 mΩ，后续还将推出一系列产品。相比背对背硅FET，使用40 V GaN BDS的优点包括节省50% - 75%的PCB面积、降低50%以上的功率损耗，以及减少成本。
 
CoolGaN BDS高压产品分为650 V 和 850 V两个型号，采用真正的常闭单片双向开关，具有四种工作模式。该系列半导体器件基于栅极注入晶体管（GIT）技术，拥有两个带有衬底终端和独立隔离控制的分立栅极。它们利用相同的漂移区来阻断两个方向的电压，即便在重复短路的情况下也具备出色的性能，并且通过使用一个BDS代替四个传统晶体管，可提高效率、密度和可靠性，使应用能够从中受益并大幅节约成本。在替代单相H4 PFC、HERIC逆变器，和三相维也纳整流器中的背对背开关时，该系列器件能够优化性能，而且还可用于交流/直流或直流/交流拓扑结构中的单级交流电源转换等。
 

热点应用机会

 
AI服务器对功率要求越来越高，单个模块的功率向着12KW发展趋势十分明显。宋清亮表示，GPU耗电量比传统CPU高很多，大概在1200瓦，峰值可能达到1700瓦，传统CPU耗电量在300-400瓦，峰值到600瓦。而在单一AI服务器中有很多张AI加速卡。单一机架的功率可能到50-60千瓦，很快预计两三年后就会到300千瓦，甚至更高，那么对其中用到的AC/DC电源或者AI服务器电源，单个模块的功率从现在传统的3千瓦到5.5千瓦、8千瓦、12千瓦演进。
 
对于AI服务器场景，英飞凌认为需要提供大功率开关电源综合性解决方案，包括硅、碳化硅和氮化镓。宋清亮分析，因为一个AC/DC电源里面包括PFC这种拓扑结构以及DC/DC。对于PFC，因为其工作频率不是很高，比如当输入电压为90V时，这时的电流很大。在这种场景下我们认为碳化硅MOS是具有优势的，因为现在碳化硅MOS的尺寸可以做的非常小，它整个温度变化又很稳定，所以我们认为碳化硅MOS跟PFC比较合适。
 
此外，DC/DC大部分用的可能是LLC这类谐振拓扑，它的工作频率比较高，我们认为用氮化镓非常合适，比如把氮化镓用在DC/DC的原边侧、副边侧，而对于输出往往会有热插拔的要求。所以从AC/DC电源，从PFC到最终的输出，我们认为碳化硅+氮化镓+硅综合解决方案，综合看性价比和性能而言都是最优的。为此英飞凌已准备好极具竞争力的方案，相信很快氮化镓将大量应用于AI服务器。
    
此外，氮化镓在电机驱动上的机会会随着电机高频化的需求而增加。宋清亮表示，现在机器人关节需要低压高速电机，有的电机驱动频率做到100K甚至更高，这就能发挥中压如100V、200V氮化镓器件的优势。
 
小结：
 
产能建设方面，英飞凌在菲拉赫（奥地利）和居林（马来西亚）的工厂，致力于扩大碳化硅和氮化镓功率半导体的产能，并计划在质量验证通过后的 3 年内全面过渡到 200 毫米(8 英寸) 产能。其中居林工厂，计划从 2025 年第 1 季度开始，将推出 200 毫米（8 英寸）的产品。随着这次并购的完成与团队和技术产品的顺利推进，英飞凌的氮化镓器件在产能和可靠性的充分保障之下，有望迎来更高的市场成长。