電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃晶晶）2023年10月，英飛凌成功收購(gòu)GaN Systems，后者是在氮化鎵芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有著獨(dú)特的技術(shù)和產(chǎn)品積累的公司。英飛凌科技大中華區(qū)消費(fèi)、計(jì)算與通訊業(yè)務(wù)市場(chǎng)總監(jiān)程文濤表示，英飛凌在收購(gòu)GaN Systems后，氮化鎵產(chǎn)品品類大幅增加，進(jìn)而讓英飛凌在氮化鎵領(lǐng)域的IP儲(chǔ)量更加領(lǐng)先。雙方研發(fā)資源的整合和應(yīng)用人員的協(xié)作，產(chǎn)生更多設(shè)計(jì)思想的火花，拓寬了技術(shù)研發(fā)的思路，同時(shí)也大幅度提升了產(chǎn)品從研發(fā)到上市的速度。

圖：英飛凌科技大中華區(qū)消費(fèi)、計(jì)算與通訊業(yè)務(wù)市場(chǎng)總監(jiān)程文濤

GaN 產(chǎn)品線擴(kuò)充

英飛凌在收購(gòu)GaN Systems前主要提供兩類氮化鎵產(chǎn)品，即分立式功率器件和集成式功率器件。收購(gòu)后品類由兩類增加至五類。第一類叫CoolGaN Transistor，也就是原來(lái)的單管。第二類是CoolGaN BDS雙向開(kāi)關(guān)，第三類CoolGaN Smart Sense，是內(nèi)部包含電流檢測(cè)或者其他檢測(cè)功能的器件。第四類CoolGaN Drive類似以前集成的驅(qū)動(dòng)器器件，第五類CoolGaN Control集成控制、驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)功能的器件。

英飛凌的CoolGaN Transistor器件覆蓋中壓、高壓，且只做增強(qiáng)型器件，并同時(shí)擁有電壓型驅(qū)動(dòng)和電流型驅(qū)動(dòng)兩種技術(shù)。英飛凌科技大中華區(qū)消費(fèi)、計(jì)算與通訊業(yè)務(wù)高級(jí)首席工程師宋清亮分析，現(xiàn)在增強(qiáng)型的氮化鎵有兩種門極結(jié)構(gòu)即電流型驅(qū)動(dòng)和電壓型驅(qū)動(dòng)。電流型驅(qū)動(dòng)是指如果讓氮化鎵維持開(kāi)通，必須要有一個(gè)電流，大概在幾個(gè)毫安到十多個(gè)毫安。電壓型驅(qū)動(dòng)則是在打開(kāi)之后不需要任何電流。

圖：英飛凌科技大中華區(qū)消費(fèi)、計(jì)算與通訊業(yè)務(wù)高級(jí)首席工程師宋清亮

“之所以有電流型驅(qū)動(dòng)這種結(jié)構(gòu)，是因?yàn)榈壠骷_(kāi)通速度非常快。它的導(dǎo)通電壓很低，大概1V左右（1.1V、1.2V），這時(shí)候把它開(kāi)通和關(guān)斷很容易產(chǎn)生噪聲，讓它誤開(kāi)通或者誤關(guān)斷。電流型的好處是可以大大抑制這種錯(cuò)誤動(dòng)作的發(fā)生。只給它電壓很難達(dá)到完全的開(kāi)通，需要電流，這樣整個(gè)氮化鎵開(kāi)通工作的可靠性會(huì)大幅提高。”宋清亮說(shuō)道。

現(xiàn)在業(yè)界只有英飛凌有這種電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)，收購(gòu)GaN Systems之后增加電壓型驅(qū)動(dòng)，客戶可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)能力和應(yīng)用環(huán)境自行選擇。

CoolGaN BDS擁有出色的軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)性能，提供40 V、650 V 和 850 V電壓雙向開(kāi)關(guān)，適用于移動(dòng)設(shè)備USB端口、電池管理系統(tǒng)、逆變器和整流器等。



據(jù)介紹，CoolGaN BDS 40 V是一款基于英飛凌肖特基柵極氮化鎵自主技術(shù)的常閉單片雙向開(kāi)關(guān)。它能阻斷兩個(gè)方向的電壓，并且通過(guò)單柵極共源極的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，以取代電池供電消費(fèi)產(chǎn)品中用作斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的背對(duì)背 MOSFET。首款40 V CoolGaN BDS產(chǎn)品的 RDS(on)值為 6 mΩ，后續(xù)還將推出一系列產(chǎn)品。相比背對(duì)背硅FET，使用40 V GaN BDS的優(yōu)點(diǎn)包括節(jié)省50% - 75%的PCB面積、降低50%以上的功率損耗，以及減少成本。

CoolGaN BDS高壓產(chǎn)品分為650 V 和 850 V兩個(gè)型號(hào)，采用真正的常閉單片雙向開(kāi)關(guān)，具有四種工作模式。該系列半導(dǎo)體器件基于柵極注入晶體管（GIT）技術(shù)，擁有兩個(gè)帶有襯底終端和獨(dú)立隔離控制的分立柵極。它們利用相同的漂移區(qū)來(lái)阻斷兩個(gè)方向的電壓，即便在重復(fù)短路的情況下也具備出色的性能，并且通過(guò)使用一個(gè)BDS代替四個(gè)傳統(tǒng)晶體管，可提高效率、密度和可靠性，使應(yīng)用能夠從中受益并大幅節(jié)約成本。在替代單相H4 PFC、HERIC逆變器，和三相維也納整流器中的背對(duì)背開(kāi)關(guān)時(shí)，該系列器件能夠優(yōu)化性能，而且還可用于交流/直流或直流/交流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的單級(jí)交流電源轉(zhuǎn)換等。

熱點(diǎn)應(yīng)用機(jī)會(huì)

AI服務(wù)器對(duì)功率要求越來(lái)越高，單個(gè)模塊的功率向著12KW發(fā)展趨勢(shì)十分明顯。宋清亮表示，GPU耗電量比傳統(tǒng)CPU高很多，大概在1200瓦，峰值可能達(dá)到1700瓦，傳統(tǒng)CPU耗電量在300-400瓦，峰值到600瓦。而在單一AI服務(wù)器中有很多張AI加速卡。單一機(jī)架的功率可能到50-60千瓦，很快預(yù)計(jì)兩三年后就會(huì)到300千瓦，甚至更高，那么對(duì)其中用到的AC/DC電源或者AI服務(wù)器電源，單個(gè)模塊的功率從現(xiàn)在傳統(tǒng)的3千瓦到5.5千瓦、8千瓦、12千瓦演進(jìn)。

對(duì)于AI服務(wù)器場(chǎng)景，英飛凌認(rèn)為需要提供大功率開(kāi)關(guān)電源綜合性解決方案，包括硅、碳化硅和氮化鎵。宋清亮分析，因?yàn)橐粋€(gè)AC/DC電源里面包括PFC這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及DC/DC。對(duì)于PFC，因?yàn)槠涔ぷ黝l率不是很高，比如當(dāng)輸入電壓為90V時(shí)，這時(shí)的電流很大。在這種場(chǎng)景下我們認(rèn)為碳化硅MOS是具有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)楝F(xiàn)在碳化硅MOS的尺寸可以做的非常小，它整個(gè)溫度變化又很穩(wěn)定，所以我們認(rèn)為碳化硅MOS跟PFC比較合適。

此外，DC/DC大部分用的可能是LLC這類諧振拓?fù)洌墓ぷ黝l率比較高，我們認(rèn)為用氮化鎵非常合適，比如把氮化鎵用在DC/DC的原邊側(cè)、副邊側(cè)，而對(duì)于輸出往往會(huì)有熱插拔的要求。所以從AC/DC電源，從PFC到最終的輸出，我們認(rèn)為碳化硅+氮化鎵+硅綜合解決方案，綜合看性價(jià)比和性能而言都是最優(yōu)的。為此英飛凌已準(zhǔn)備好極具競(jìng)爭(zhēng)力的方案，相信很快氮化鎵將大量應(yīng)用于AI服務(wù)器。

此外，氮化鎵在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上的機(jī)會(huì)會(huì)隨著電機(jī)高頻化的需求而增加。宋清亮表示，現(xiàn)在機(jī)器人關(guān)節(jié)需要低壓高速電機(jī)，有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率做到100K甚至更高，這就能發(fā)揮中壓如100V、200V氮化鎵器件的優(yōu)勢(shì)。

小結(jié)：

產(chǎn)能建設(shè)方面，英飛凌在菲拉赫（奧地利）和居林（馬來(lái)西亞）的工廠，致力于擴(kuò)大碳化硅和氮化鎵功率半導(dǎo)體的產(chǎn)能，并計(jì)劃在質(zhì)量驗(yàn)證通過(guò)后的 3 年內(nèi)全面過(guò)渡到 200 毫米(8 英寸) 產(chǎn)能。其中居林工廠，計(jì)劃從 2025 年第 1 季度開(kāi)始，將推出 200 毫米（8 英寸）的產(chǎn)品。隨著這次并購(gòu)的完成與團(tuán)隊(duì)和技術(shù)產(chǎn)品的順利推進(jìn)，英飛凌的氮化鎵器件在產(chǎn)能和可靠性的充分保障之下，有望迎來(lái)更高的市場(chǎng)成長(zhǎng)。