關(guān)于英飛凌GaN系列產(chǎn)品的性能和應(yīng)用分析

繼硅和碳化硅之后，氮化鎵(GaN)是公認(rèn)的下一代半導(dǎo)體工藝技術(shù)；與硅相比，氮化鎵具有許多的基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)特性。例如在開關(guān)應(yīng)用，氮化鎵元器件具有較高的臨界電場(chǎng)，使其對(duì)于具有出色的特定導(dǎo)通電阻和較小電容的功率半導(dǎo)體器件非常有吸引力，因此GaN HEMT非常適合高速開關(guān)。

英飛凌CoolGaNTM技術(shù)旨在充分利用GaN的優(yōu)勢(shì)，其中400V和600V CoolGaNTM e-mode HEMT產(chǎn)品適用于消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用，如服務(wù)器、電信設(shè)施、無線充電、適配器和充電器等，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。例如，英飛凌400V和600V CoolGaNTM HEMT專注于高性能和可靠性，正為各種應(yīng)用及系統(tǒng)附加重要價(jià)值。

01GaN晶體管工作原理

英飛凌CoolGaNTM采用p-GaN柵極結(jié)構(gòu)，與具有增強(qiáng)型柵極驅(qū)動(dòng)偏壓的傳統(tǒng)硅MOSFET類似。 當(dāng)柵極施加正向電壓時(shí)，電子被累積并在漏極和源極之間的橫向二維電子氣(2DEG)層中形成低電阻溝道。

有別于傳統(tǒng)硅MOSFET體二極管，GaN器件的反向電流其實(shí)是開關(guān)狀態(tài)之一。開關(guān)噪聲的主要來源，則來自于消除該方向恢復(fù)電荷時(shí)產(chǎn)生。

02GaN晶體管優(yōu)勢(shì)

CoolGaNTM晶體管是市場(chǎng)上具有最佳性能的功率器件。 它們采用最可靠的GaN技術(shù)制造，專為開關(guān)電源中的最高效率和功率密度而量身定制。

英飛凌的400V和600V CoolGaNTM e-mode HEMT可讓使用者實(shí)現(xiàn)98％以上的系統(tǒng)效率(OMG)，并幫助客戶使其終端產(chǎn)品更小更輕。600V CoolGaNTM晶體管的FOM(Rdson x Coss 與 Rdson x Ciss)非常小、令人印象深刻，客戶可以運(yùn)用此特性轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

03高質(zhì)量保證

GaN開關(guān)的規(guī)格認(rèn)證需要專門的方法，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有的硅標(biāo)準(zhǔn)：英飛凌全面提升GaN器件的質(zhì)量，使GaN器件跟現(xiàn)有英飛凌硅器件同樣可靠，GaN測(cè)試條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，確保提供長期質(zhì)量和可靠性。

加速老化測(cè)試亦已包括在GaN測(cè)試驗(yàn)證過程當(dāng)中，通過掌握客戶應(yīng)對(duì)開關(guān)器件應(yīng)用場(chǎng)景和GaN器件失效模型分析的驗(yàn)證方法，確保英飛凌GaN器件在目標(biāo)應(yīng)用中完全滿足壽命和質(zhì)量要求。

04GaN產(chǎn)品&應(yīng)用舉例

所以，集此三大優(yōu)勢(shì)打造的氮化鎵產(chǎn)品案例——英飛凌600VCoolGaNTM產(chǎn)品系列是基于GaN量身定制的規(guī)范工藝基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，并采用高性能SMD封裝以充分發(fā)揮GaN的優(yōu)勢(shì)。

主要優(yōu)勢(shì)

①極高的SMPS功率轉(zhuǎn)換效率；

②功率密度可提升3倍；

③SMD封裝確保了GaN的開關(guān)能力得以完全發(fā)揮；

④易于與驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品組合使用等……

更厲害的是，600VCoolGaNTM產(chǎn)品可支持采用簡單的PFC半橋圖騰拓?fù)?包括棄用有損輸入橋式整流器)。在方案設(shè)計(jì)者可以在兩種不同的結(jié)果中進(jìn)行選擇：一種是效率略微提升但BOM成本顯著下降，另一種則是效率大幅度提升(>99%)但BOM成本有所增加，如下圖所示。

此外，英飛凌GaN工藝產(chǎn)品正為眾多系統(tǒng)增加重要價(jià)值，無論是消費(fèi)還是工業(yè)應(yīng)用，如服務(wù)器、電信設(shè)施、無線充電、音頻、適配器以及充電器等。這里小編為大家舉個(gè)例子——采用600V，70mΩ CoolGaNTM(IGT60R070D1)器件設(shè)計(jì)了3.6kW電信設(shè)施SMPS系統(tǒng)。

該系統(tǒng)基于LLC DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有高達(dá)400VDC輸入和52.5V輸出電壓，在160W/inch3功率密度下可提供高達(dá)3.6kW的功率。該系統(tǒng)的峰值效率達(dá)到98.5％(Vin = 390VDC，Vout= 52.5V)，并且對(duì)于高于20％的負(fù)載，其保持大于97％，實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度和功率轉(zhuǎn)換效率，從而降低電信供應(yīng)商的運(yùn)營成本。