英飛凌CoolGaN技術(shù)開(kāi)啟電力電子新時(shí)代?

英飛凌的總體戰(zhàn)略是將當(dāng)今的每一項(xiàng)尖端硅技術(shù)與寬帶對(duì)應(yīng)技術(shù)相結(jié)合。基于市場(chǎng)上已經(jīng)推出的 CoolSiC? 技術(shù)，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(chǎn)品組合的超級(jí)器件。此外，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，CoolGaN? 技術(shù)將擴(kuò)展到 100 伏和 200 伏，以完善 OptiMOS? 技術(shù)組合。

介紹

效率是所有部門(mén)的關(guān)鍵要素。在電源應(yīng)用中，更高的效率可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，不僅可以產(chǎn)生更小的解決方案，而且還可以提供關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施元素(例如數(shù)據(jù)中心和聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)汽車(chē))所需的功率水平。更高的效率對(duì)于啟用電源管理系統(tǒng)以降低為數(shù)十億臺(tái)設(shè)備供電的總成本也至關(guān)重要。這些要求推動(dòng)了支持更高轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料的研究和開(kāi)發(fā)。

基于硅襯底的功率半導(dǎo)體對(duì)高壓操作有充分記錄的限制。業(yè)界通過(guò)采用特性更適合電源應(yīng)用的材料解決了這些問(wèn)題，例如能夠在更高的開(kāi)關(guān)頻率下工作以最大限度地減少開(kāi)關(guān)損耗。在GaN基器件已經(jīng)出現(xiàn)在市場(chǎng)上，近年來(lái)一直一個(gè)特殊的除了電源設(shè)計(jì)師的工具箱，可實(shí)現(xiàn)約98%的總體AC / DC轉(zhuǎn)換效率。

今天的功率半導(dǎo)體行業(yè)提供基于廣泛技術(shù)組合的分立解決方案和模塊，包括基于硅的超級(jí)結(jié)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(yè)界唯一的 300 毫米功率半導(dǎo)體晶圓廠，相信它在利用寬帶隙材料所呈現(xiàn)的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)方面處于良好的市場(chǎng)地位。GaN RF 晶體管是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，近年來(lái)已進(jìn)入大批量生產(chǎn)。英飛凌表示，其 CoolMOS 超級(jí)結(jié) (SJ) MOSFET 產(chǎn)品在傳導(dǎo)、開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)損耗方面具有卓越的性能，并為能效、功率密度和易用性設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)。英飛凌表示，CoolSiC 和 CoolGaN 能夠設(shè)計(jì)出極其高效和緊湊的系統(tǒng)，以滿足對(duì)更環(huán)保產(chǎn)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(shù)

自 1990 年代以來(lái)，GaN 已普遍用于高亮度二極管。該材料的晶體結(jié)構(gòu)適合用于光電子、高功率應(yīng)用以及需要減少開(kāi)關(guān)時(shí)間的應(yīng)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(fā)生和器件變得無(wú)法使用之前承受比相同尺寸的硅等效得多的電場(chǎng)。高擊穿電場(chǎng)不僅消除了對(duì)電壓轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)具有更小的損耗和尺寸的器件成為可能，從而在設(shè)計(jì)階段簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)速度是其 10 倍。

氮化鎵演進(jìn)

在電源應(yīng)用中，晶體管通過(guò)使用電壓作為控制元件來(lái)充當(dāng)開(kāi)關(guān)。設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)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(kāi)發(fā)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(jié)構(gòu)，可在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率。據(jù)英飛凌稱(chēng)，增強(qiáng)模式提供了開(kāi)啟和關(guān)閉速度，以及在芯片上實(shí)現(xiàn)更好集成的可能性。

GaN HEMT 是具有側(cè)向電流的平面器件。過(guò)渡層在硅襯底上外延生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)。(圖片：英飛凌)

CoolMOS 技術(shù)已用于電源設(shè)計(jì)多年，但傳統(tǒng)的硅 MOSFET 存在與反向恢復(fù)電荷相關(guān)的限制。根據(jù)英飛凌的說(shuō)法，GaN 晶體管的源極和柵極之間沒(méi)有本征二極管消除了反向恢復(fù)電荷，因此適合將 GaN 技術(shù)用于硬開(kāi)關(guān)功率半橋解決方案，例如功率因數(shù)校正 (PFC) 電路在連續(xù)電流模式下運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵參數(shù)，開(kāi)關(guān)對(duì)柵極電壓極性的反應(yīng)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(zhì)因數(shù) (FOM) 優(yōu)勢(shì)，但要充分利用這些優(yōu)勢(shì)，必須將功率晶體管與最佳柵極驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合。根據(jù)英飛凌的說(shuō)法，CoolGaN 晶體管允許開(kāi)發(fā)以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)洌粫?huì)對(duì)控制技術(shù)(驅(qū)動(dòng)器)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性且昂貴的更改。

CoolGaN 晶體管中的 R DS(ON)溫度系數(shù)明顯低于硅晶體管，這代表了英飛凌所說(shuō)的關(guān)于傳導(dǎo)損耗的合理效率程度。從 ON 過(guò)渡到 OFF 期間的過(guò)渡是開(kāi)關(guān)速度方面的另一個(gè)重要考慮因素。CoolGaN 晶體管表現(xiàn)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(dǎo)致開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度比硅晶體管快 10 倍，E oss能量(存儲(chǔ)在 Q oss 中的能量)為 25% 。在CoolGaN 和超結(jié)晶體管之間的 R DS(ON) 比較中，CoolGaN Q發(fā)現(xiàn)oss大約低 10 倍(圖 3)。

圖 3：GaN 與超結(jié)晶體管的Q oss。(圖片：英飛凌)

以高于 200 kHz 的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)能量的快速傳輸，從而消除死區(qū)時(shí)間。對(duì)于硅晶體管，需要采取設(shè)計(jì)措施，例如增加損耗。英飛凌表示，CoolGaN 即使在高開(kāi)關(guān)頻率下也能提供高效率，從而進(jìn)一步減小電源轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量。

同時(shí)，柵極電荷 (Q g ) 會(huì)影響晶體管的開(kāi)關(guān)速度。低柵極電荷是功率晶體管的理想特性。據(jù)英飛凌稱(chēng)，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(yùn)行優(yōu)勢(shì)源自其在非常高的頻率下工作的能力，但高頻運(yùn)行會(huì)受到封裝導(dǎo)體寄生阻抗的影響。因此，CoolGaN 產(chǎn)品是表面貼裝器件。

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

CoolGaN 系列由英飛凌的 EiceDRIVER 柵極驅(qū)動(dòng)器支持，該公司表示該驅(qū)動(dòng)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(bào)告稱(chēng)，使用 EiceDRIVER GaN 將提供實(shí)現(xiàn)更高功率密度所需的低損耗。據(jù)該公司稱(chēng)，早期測(cè)試表明，與給定外形尺寸(在本例中為四分之一磚轉(zhuǎn)換器)的最新硅技術(shù)相比，100 V 的 CoolGaN 可實(shí)現(xiàn)高出 40% 的功率。

圖 5：CoolGaN 解決方案。(圖片：英飛凌)

600G 系列 CoolGaN 器件針對(duì)電信、數(shù)據(jù)通信和 SMPS 服務(wù)器設(shè)備以及其他工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化(圖 4 和 5)。

圖 6：服務(wù)器應(yīng)用中的 CoolGaN。(圖片：英飛凌)

谷歌是第一家在其數(shù)據(jù)中心的處理端使用 48V 電源系統(tǒng)的公司，這可能為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)。顯然，提供 48 V 電壓的 AC/DC 電源轉(zhuǎn)換器是一個(gè)關(guān)鍵部件。據(jù)英飛凌稱(chēng)，CoolGaN 技術(shù)可在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中為每個(gè)機(jī)架提供更多功率(圖 6 和 7)。

圖 7：Bel Power 基于 CoolGaN 的 6 kW 服務(wù)器電源(240 V AC(輸入)，48 V輸出)的效率曲線。(圖片：貝爾電源)

結(jié)論

對(duì)更高效的電源轉(zhuǎn)換的需求是每個(gè)電子技術(shù)支持領(lǐng)域的基本問(wèn)題。雖然硅解決方案運(yùn)行良好，但英飛凌認(rèn)為其超越傳統(tǒng)硅技術(shù)的戰(zhàn)略將實(shí)現(xiàn)完全合格、可靠、更環(huán)保的電源解決方案。