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英飞凌CoolGaN解决氮化镓功率器件可靠性、成本等挑战
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英飞凌CoolGaN解决氮化镓功率器件可靠性、成本等挑战

2018-12-04 18:40:28 来源:半导体器件应用网 作者:张文灵

【大比特导读】CoolGaN™是打开高效能源之门的钥匙。因为他在更高电压运行,具有更高频率的开关、更薄的主动层、功率密度扩散、散热能力提升,因此可实现提升效率、更稳定可靠、更高功率密度、减小系统尺寸、简化控制、降低系统成本等好处。

氮化镓和碳化硅能够在高压和高开关频率条件下实现高电源效率,前景备受看好,而氮化镓比碳化硅更具成本优势,因此未来会被快速应用。然而对于氮化镓功率器件来说,最重要的挑战是可靠性、成本以及驱动等问题,最近英飞凌推出了CoolGaN™ 600V增强型HEMT和氮化镓开关管专用驱动IC来解决相关问题。

近日,在接受《半导体器件应用》杂志记者采访时,英飞凌大中华区副总裁、电源管理及多元化市场事业部负责人潘大伟表示,CoolGaN™是打开高效能源之门的钥匙。因为他在更高电压运行,具有更高频率的开关、更薄的主动层、功率密度扩散、散热能力提升等特点,因此可实现提升效率、更稳定可靠、更高功率密度、减小系统尺寸、简化控制、降低系统成本等好处。

英飞凌大中华区副总裁、电源管理及多元化市场事业部负责人潘大伟

而据英飞凌电源管理及多元化市场事业部高压 GaN 高级产品营销经理邓巍博士介绍, CoolGaN的优值系数(FOM)在当前市场上的所有600 V器件中首屈一指,而且开关的栅极电荷极低,且具有极少输出电容,可在反向导通状态下提供优异的动态性能,进而大幅提高工作频率,从而通过缩小被动元器件的总体尺寸,提高功率密度。同时,CoolGaN在功率因数校正(PFC)变流器里具有超高的能效(2.5 kW PFC能效 > 99.3%),相同能效下的功率密度可达到160 W / in3(3.6 kW LLC能效 > 98%)。另外,在谐振拓扑中,CoolGaN线性输出电容可将死区时间缩短至八分之一到十分之一。

可靠性业界领先

对于氮化镓功率器件而言,可靠性问题是最重要的挑战。对此,英飞凌表示:“我们的氮化镓HEMT专为量产而设计、开发和发布。质量永远是我们永远需要保证的第一因素,我们的目标是在整个生命周期实现小于1FIT。放眼市场,CoolGaN拥有行业领先的可靠性。在质量控制过程中,我们不仅对器件本身进行全面测试,而且对其在应用环境中的性能进行全面测试。这确保了CoolGaN开关满足甚至优于最高质量标准。

而这得益于CoolGaN采用可靠的常闭概念,据介绍这种架构只有松下和英飞凌独有。

据邓魏博士透露,氮化镓器件作为一个常开型器件很难被客户所应用和接受。因为用户对硅器件或其他器件的常关型理念非常熟悉而且形成了习惯。为了解决这一问题,并且使氮化镓器件达到最长的使用寿命,英飞凌的CoolGaN 600V增强型HEMT采用采用了业界独一无二的常闭式概念解决方案。

英飞凌电源管理及多元化市场事业部高压 GaN 高级产品营销经理邓巍博士

据其介绍,氮化镓作为第三代半导体器件,如果不在栅极做任何的电压动作的话,它中间有一个二维电子器的层,中间会有电子流动。而英飞凌栅极加了P型氮化镓,将氮化镓做成了常关型器件。

而另一方面,动态RDS(ON)是氮化镓比较棘手的问题,邓魏表示英飞凌可以解决这个问题。解决问题的关键在于P型氮化镓漏极接触,从而避免电流崩溃。由于电子在开关的时候被漏级的电子陷在里面不流通,这样会造成有影响。而把P型氮化镓引入之后,就可以把表面的电子中和掉,这样可以从根本上解决问题。

氮化镓常关型器件

另外,据介绍,英飞凌氮化镓产品的等效电路的栅极是一个阻性的栅极,有一个二极管进行自钳断式阻性栅极:阻性栅极内部将VGS钳位到安全范围。高栅极电流可实现快速导通,因此是一个稳健的栅极驱动拓扑。

邓魏还表示,竞争对手用的可靠性模型往往是非常激进的,展示的往往是最好的案例,尤其没有解决RDS(ON)的问题,这会导致在使用中寿命有所降低。而英飞凌永远展示比较保守的模型,英飞凌的产品的使用寿命大于10年,数据参数等会考虑很多的余量。“我们动态的RDS(on)为0的,有更稳健的栅极理念,我们有专门的资质认证方法,所以,英飞凌的氮化镓是业内最可靠的产品。”

专用驱动更可靠高效

除了可靠性问题之外,由于氮化镓的开关频率非常快,因此驱动IC 很难匹配,因此氮化镓器件供应商都要提供定制化驱动IC,英飞凌也不例外。

邓魏表示,氮化镓功率器件的驱动要考虑一些特殊性。首先氮化镓一定要有一个稳态的导冲电流来保持它的开通,然后需要负脉冲来关断。而负电流也需要有一个负电压把它关断,所以稳态的导冲电流加上负电压的关断,这会对电源驱动设计造成极大挑战,而并不是所有的客户都有很好的研发能力来驱动氮化镓,如果驱动不好,它的优势就不能最大化。“我们深刻体会到客户的需求,所以我们自主研发了氮化镓的三款不同的驱动器。”

据介绍,英飞凌氮化镓开关管驱动芯片EiceDRIVER IC——1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H——是CoolGaN增强型HEMT的完美搭档。它们经专门研发,以确保CoolGaN开关实现强健且高效的运行,同时最大限度地减少工程师研发工作量,加快将产品推向市场。

不同于传统功率MOSFET的栅极驱动IC,这个针对英飞凌CoolGaN量身定制的栅极驱动IC可提供负输出电压,以快速关断氮化镓开关。在开关应处于关闭状态的整个持续时间内,GaN EiceDRIVER IC可以使栅极电压稳定保持为零。这可保护氮化镓开关不受噪音导致误接通的影响,哪怕是首脉冲,这对于SMPS实现强健运行至关重要。而这些氮化镓栅极驱动IC可实现恒定的GaN HEMT开关转换速率,几乎不受工作循环或开关速度影响。这可确保运行稳健性和很高能效,大大缩短研发周期。它集成了电隔离,可在硬开关和软开关应用中实现强健运行。它还可在SMPS一次侧和二次侧之间提供保护,并可根据需要在功率级与逻辑级之间提供保护。

降低成本 加速推广

成本是未来氮化镓技术广泛使用的主要障碍,目前氮化镓器件的价格大约是硅器件6倍。但对于氮化镓降低成本方面,邓巍充满信心。

他认为,首先,氮化镓具有总体系统成本优势。氮化镓的优势在于能够使拓扑结构变得更加节凑,这是光看单个器件成本所体现不出来的,必须得把整个系统的成本考虑进去。其次,氮化镓是一种新产品,随着未来数量增长后,成本自然会下降。而且,现在很多厂家都在往更大的晶圆上发展,晶粒尺寸也会缩小,这意味着单个晶圆产生的数量会更多,那么成本又会缩减。因此未来氮化镓成本的缩减是比较大幅度的,跟硅相比差距变得越来越小。

邓魏表示,氮化镓现在的发展非常快,未来基于氮化镓的器件市场总值有望超过10亿美元,电源类产品大概占到整个市场的40%左右。英飞凌在氮化镓方面关注五到六个目标应用,比如服务器、电芯、无线充电、音频、适配器等应用。“我们希望更多的领域来尝试我们的氮化镓产品。我们也在和客户、分销商一起来探索如何应用氮化镓到更多的领域当中,比如太阳能、照明、消费电子、电视等。”

氮化镓应用领域

调研机构Yole预估,氮化镓元件2015年∼2021年的成长率将达83%,其中电源供应器将占相当大的一部份,近六成左右,预计氮化镓功率半导体市场将飞速增长。

发力汽车应用

氮化硅和氮化镓都被誉为第三代半导体,很多人对它们的差别并不太清楚。据邓魏介绍,从600V一直到3.3kv是氮化硅类比较合适的应用场景,氮化镓定位于100-600V左右的高频应用。

碳化硅氮化镓区别

从汽车领域来看,碳化硅更适用于50千瓦以上更大功率的应用场景,如汽车、火车等,这些场景对于成本也不敏感。相对来说氮化镓在电动汽车领域会和碳化硅有一定的竞争,20千瓦以下则主要是氮化镓的市场。

邓魏认为,从市场的分布来说,氮化镓在汽车类的应用可能起步比较晚,目前在汽车领域布局氮化镓还不是时候,因为汽车领域不管是从可靠性还是其他方面要求都是比较高的,甚至比工业领域级别要求还要高,因此要等到系统成本能够有所缩减和可靠性达到一定证明的时候,氮化镓才能在汽车领域充分地发挥作用。

但他又认为特别未来几年,汽车是氮化镓非常大的应用场景。“英飞凌会在这些方面都有所投入。2019年,我们会慢慢地发布我们的氮化镓在汽车领域的路线图。48V DC-DC和OBC是我们着重考虑和体现优势的两个领域。”

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