CoolGaN™：开启功率电子新时代

在当今这个对电力需求持续增长且环保压力日益增大的时代，寻找更高效、更节能的功率电子解决方案成为了行业的关键挑战。英飞凌的CoolGaN™技术应运而生，为功率电子领域带来了全新的变革。

文件下载：EVAL1EDFG1HBGANTOBO1.pdf

一、GaN功率的崛起

1.1 宽禁带半导体的优势

随着全球人口的不断增长和社会发展的加速，电力需求与日俱增。同时，环境压力也促使我们必须以更少的能源实现更多的功能。宽禁带半导体，如氮化镓（GaN），成为了迈向节能世界的关键。与传统的硅（Si）材料相比，宽禁带半导体能够实现更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的成本。英飞凌作为唯一同时提供Si、SiC、IGBT和GaN器件的公司，在各个领域都成为了客户的首选。

1.2 CoolGaN™的卓越性能

英飞凌的CoolGaN™增强模式（e - mode）高电子迁移率晶体管（HEMTs）具有诸多优势。其击穿场强是硅的十倍，电子迁移率是硅的两倍。输出电荷和栅极电荷比硅低十倍，反向恢复电荷几乎为零，这对于高频操作至关重要。在硬开关和共振拓扑中，GaN都是合适的技术选择，并且为电流调制带来了新的方法。

通过对比Si、GaN和SiC器件的关键品质因数（FOM），可以发现CoolGaN™在目前可用的600 V器件中树立了性能标杆。例如，CoolGaN™ 600 V的RDS(on) Qoss仅为2.2 mΩ µC，远低于CoolMOS™ C7 600 V的22.6 mΩ * µC。这使得CoolGaN™在高频设计中具有明显优势，能够实现更高的效率和功率密度。

1.3 常关概念与拓扑优势

GaN器件本质上是常开器件，但英飞凌专注于e - mode GaN概念，为其400 V和600 V的CoolGaN™器件实现了常关功能。这种常关的增强模式GaN具有出色的硬开关和软开关拓扑性能，开关速度快且损耗低。

在CCM PFC的高效拓扑中，CoolGaN™技术使得半桥/硬开关拓扑更加简单且高效。其几乎为零的反向恢复电荷（Qrr）使得在半桥图腾柱或全桥图腾柱拓扑中能够实现更简单、高效且经济的系统解决方案。在英飞凌2.5 kW PFC FB图腾柱板（EVAL_2500W_PFC_GAN_A）的评估中，CoolGaN™在硬开关拓扑中展现出了独特的优势，在宽负载范围内效率超过99%。

1.4 高功率密度与可靠性

CoolGaN™能够在相同效率下实现更高的功率密度。由于其开关损耗降低，设计可以更小、更轻。SMD封装的器件允许紧凑和模块化设计，同时可以使用更小的散热器和更少的组件。在某些应用中，提高开关频率还可以减小无源元件的尺寸。

英飞凌的CoolGaN™还是市场上最可靠的全球认证GaN解决方案之一。在质量管理过程中，不仅对器件进行测试，还对其在应用中的行为进行评估。其预计使用寿命超过15年，失效率低于1 FIT，适用于服务器、电信、充电器和适配器、无线充电和音频等消费和工业应用。

二、CoolGaN™的驱动与应用

2.1 GaN EiceDRIVER™家族

英飞凌推出了GaN EiceDRIVER™家族的单通道隔离栅极驱动IC，适用于增强模式GaN HEMTs。这些驱动IC能够完全支持e - mode GaN HEMTs操作的所有特定要求，如低驱动阻抗（源极0.85 Ω，漏极0.35 Ω）、电阻可编程栅极电流和可编程负栅极电压，以避免半桥中的误开启。

2.2 服务器应用

在服务器和数据中心领域，物联网、大数据、机器学习和人工智能的发展对开关模式电源（SMPS）的效率和外形尺寸提出了新的挑战。英飞凌的CoolGaN™技术可以通过在图腾柱PFC和LLC DC - DC级中应用，实现超过98.5%的系统效率（对于48 V输出电压系统），为美国数据中心每年节省约20亿kWh的电量（约3亿美元）。同时，基于GaN的SMPS解决方案可以将每机架的计算功率提高一倍，将功率密度从目前基于硅的典型30 - 40 W/in³提高到超过80 W/in³。

2.3 电信应用

在电信基础设施开发中，节省运营和资本开支、减小电源占地面积和提高解决方案的鲁棒性是主要关注点。英飞凌的CoolGaN™解决方案通过在整个运行范围内提供基准效率、最大化功率密度并遵循严格的认证方案来应对这些挑战。一个3.6 kW的系统使用CoolGaN™ 600 V、70 mΩ（IGT60R070D1）器件并联配置，基于LLC DC - DC拓扑，输入电压高达400 V，输出电压为52.5 V，功率密度达到160 W/in³，峰值效率达到98.5%，在负载高于20%时效率保持大于97%。

2.4 无线充电应用

无线充电技术近年来逐渐普及，但要实现真正的无处不在并提高用户便利性，需要进一步发展。对于磁共振无线充电所需的高频（多个MHz），标准硅功率技术面临挑战。CoolGaN™技术由于其显著降低的寄生电容，是在MHz范围内开关的理想选择。在E类和D类拓扑中，CoolGaN™可以通过最大化整体系统性能（在D类实现中）或降低整体系统解决方案成本（在E类实现中）来满足不同的需求。英飞凌的CoolGaN™器件已在16 W的E类无线充电演示系统以及更高功率等级的客户应用中成功测试。

2.5 适配器/充电器应用

传统的充电器和适配器存在功率密度低、体积大的问题。英飞凌的CoolGaN™技术支持适配器和充电器系统在功率密度方面取得突破，能够实现20 W/in³的功率密度系统（对于65 W最大输出功率）。通过在半桥拓扑中应用CoolGaN™，可以同时提高开关频率和效率。

2.6 音频应用

D类音频放大器由于其出色的能源效率，已经逐渐取代了A/B类放大器。CoolGaN™ 400 V适用于高端HiFi家庭音频、专业和汽车售后音频系统。其独特的特性，如体二极管的零反向恢复电荷（Qrr）、线性输入和输出电容以及极快的开关速度（最低QGD和Rg），使得D类音频放大器能够接近理论上的理想性能，实现最佳的音频性能和最小的功率损耗。

三、CoolGaN™的评估环境与产品组合

3.1 评估环境

英飞凌提供了一系列CoolGaN™评估板，包括用于服务器SMPS和电信整流器的PFC板（EVAL_2500W_PFC_GAN_A）、用于电信整流器的LLC板（EVAL_3K6W_LLC_GAN）、高频半桥平台（EVAL_1EDF_G1_HB_GAN）和200 W + 200 W D类音频放大器板（EVAL_AUDAMP24）。同时，还提供了全面的在线培训材料和全球支持结构，方便工程师进行技术过渡和快速原型开发。

3.2 产品组合

英飞凌的CoolGaN™产品组合包括400 V和600 V的e - mode HEMTs，具有不同的封装和RDS(on)值可供选择。此外，GaN EiceDRIVER™家族的驱动IC能够充分发挥e - mode HEMTs的潜力，提供了多种封装和隔离等级的产品。

英飞凌的CoolGaN™技术以其卓越的性能、广泛的应用和可靠的评估环境，为功率电子领域带来了新的解决方案。对于电子工程师来说，在设计高效、紧凑的功率系统时，CoolGaN™无疑是一个值得考虑的选择。你在实际项目中是否有使用过类似的宽禁带半导体技术呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。