收购GaN Systems后，英飞凌氮化镓迎来新突破

近年来，基于卓越的性能和广阔的应用前景，包括碳化硅和氮化镓在内的“第三代半导体”受到市场的广泛关注。
 
相比第一、第二代半导体材料，“第三代半导体”材料具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度和高迁移率等特点，这使得“第三代半导体”在高频、耐高压、耐高温和抗辐射等方面展现出优越的性能，在新能源车、光伏、风电、5G通信等新兴技术领域中具有巨大的应用潜力和市场需求。
 
其中，氮化镓（GaN）作为“第三代半导体”的代表性材料，凭借其诸多优势和广阔的应用前景正成为目前全球半导体行业的焦点。
 
自2019年氮化镓技术首次应用于充电器以来，基于氮化镓材料而研制的功率器件，凭借更高的电流密度、迁移率以及优秀的耐热性、导电性和散热性，在诸多应用领域持续开疆拓土、发挥关键作用。氮化镓功率半导体芯片能够有效降低电源的能量损耗，提升能源转换效率，降低系统成本，并实现更小的设备尺寸，已成为众多新兴领域持续变革的核心。
 
随着氮化镓技术的成熟以及下游应用的逐步释放，尤其是近几年全球新能源汽车、风电、光伏等产业的兴起，氮化镓功率半导体行业迎来蓬勃的市场机遇。
 
据Yole Group 预测，未来五年GaN器件市场的年均增长率将达到46%，到2026年氮化镓的市场规模预计将达到约10亿美元，发展空间广阔，释放出巨大市场潜力。
 
在此趋势下，行业厂商相继进军氮化镓市场积极展开布局。其中，英飞凌作为行业领先企业，深耕GaN技术二十逾载，拥有丰富的经验和技术积累，并于2023年10月收购了GaN Systems公司后, 进一步巩固了自身在氮化镓领域的领先地位。
 
2024年7月9日，在慕尼黑上海电子展期间，英飞凌召开新一代氮化镓产品媒体沟通会，在会上介绍了5类新的CoolGaN™产品系列，并分享了公司在GaN技术领域的最新动态和市场策略。
 
在会议期间，英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务市场总监程文涛与英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务高级首席工程师宋清亮向半导体行业观察在内的诸多行业媒体，详细解读了英飞凌的新一代GaN 器件的技术参数和优势特性，以及它们如何赋能消费、工业、太阳能等广阔的应用领域。
 

• 收购GaN Systems，英飞凌氮化镓业务加速布局

 
据介绍，英飞凌在2023年10月成功收购GaN Systems后，氮化镓相关产品系列得到了广泛扩展，设计研发思路也获得了极大拓宽，在未来的路标中也出现了很多新品类。
 

英飞凌科技大中华区消费、计算与通讯业务市场总监程文涛
 
程文涛表示，在成功收购GaN Systems之后，英飞凌的IP储量在业界遥遥领先。此外，相较于之前主要向市场提供分立式功率器件（Discrete Power）和集成式功率器件（Integrated Power）两类产品，在收购GaN Systems之后，产品品类也由此前两种变为了五种，归纳为CoolGaN™品牌系列。
 

• CoolGaN™ Transistor：指的就是原来的Discrete单管。该部分在高压、中压部分有非常多的产品门类。需要强调的是，英飞凌目前只做增强型器件，英飞凌现在同时拥有电压型驱动和电流型驱动两种技术，且目前所有氮化镓器件全部采用贴片封装方式，非常好的展现出材料开关速度快的特性。

 
据了解，英飞凌的CoolGaN™ Transistor晶体管在高达700V的电压范围内可实现高效的功率转换，具有快速的导通/关断速度、最小的开关损耗，能够简单快速地将产品推向市场。这些器件不仅符合广泛标准，还超越行业标准，大大提高了系统的整体性能，并最大限度地降低了系统成本，提高了易用性，为消费、工业和汽车应用提供最高效率和功率密度的分立与集成解决方案。
 
并在近日，英飞凌还发布了CoolGaN™ G3系列晶体管和CoolGaN™ G5系列晶体管。英飞凌新一代高压和中压CoolGaN^TM系列展示出其产品优势，并且完全采用8英寸工艺制造，证明了GaN在更大晶圆直径上的快速扩展能力。期待客户通过这些新一代GaN器件推出各种创新应用，为客户带来更高的效率和性能。
 

CoolGaN™ G3系列晶体管和CoolGaN™ G5系列晶体管
 
全新650V G5系列适用于消费、数据中心、工业和太阳能领域的应用。该系列产品是英飞凌基于GIT的新一代高压产品。另一个采用8英寸工艺制造的全新系列是G3中压器件，覆盖了60V、80V、100V和120V的CoolGaN^TM晶体管电压等级，以及40V双向开关（BDS）器件。G3中压产品主要面向电机驱动、电信、数据中心、太阳能和消费应用。据悉，CoolGaN^TM 650 V G5将于2024年第四季度上市，CoolGaN^TM G3中压产品将于2024年第三季度上市。样品现已开始供应。
 
同时，英飞凌还推出全新CoolGaN™晶体管700 V G4产品系列。与市场上的其他氮化镓产品相比，该系列晶体管的输入和输出性能优化了20%，从而提高效率，降低功率损耗，并提供了更具成本效益的解决方案。凭借电气特性与封装的优势结合，它们能够在消费类充电器和笔记本适配器、数据中心电源、可再生能源逆变器、电池存储等众多应用中发挥出色的性能。
 

CoolGaN™ 晶体管 700V G4
 
据介绍，该产品系列包含13款器件，额定电压为700V、导通电阻范围在20mΩ至315mΩ之间。由于器件规格粒度增多，再加上PDFN、TOLL、TOLT等多种行业标准封装选项加持，因此客户可以根据应用的要求选择R_DS电阻和封装，以更具成本效益的解决方案优化并实现电气与热系统性能。
 
该系列器件的特点是开启和关闭速度快且开关损耗极小。此外，凭借具有850 V业界最高瞬态电压的700V E模式，它们能够更好地抵御用户环境中的异常情况（例如电压峰值），提高整个系统的可靠性。
 

• CoolGaN™ BDS：CoolGaN™ BDS拥有出色的软开关和硬开关性能，提供40V、650V和850V电压双向开关，适用于移动设备USB端口、电池管理系统、逆变器和整流器等。

 
据程文涛介绍，CoolGaN™ BDS高压产品分为650V和850V两个型号，采用真正的常闭单片双向开关，具有四种工作模式。该系列半导体器件基于栅极注入晶体管（GIT）技术，拥有两个带有衬底终端和独立隔离控制的分立栅极。它们利用相同的漂移区来阻断两个方向的电压，即便在重复短路的情况下也具备出色的性能，并且通过使用一个BDS代替四个传统晶体管，可提高效率、密度和可靠性，使应用能够从中受益并大幅节约成本。
 

CoolGaN™ BDS和CoolGaN™ Smart Sense
 
在替代单相H4 PFC、HERIC逆变器，和三相维也纳整流器中的背对背开关时，CoolGaN™ BDS系列器件能够优化性能，而且还可用于交流/直流或直流/交流拓扑结构中的单级交流电源转换等。高压大功率BDS的应用场景还包括在很多大功率电池管理、电动工具，还有一些储能、光伏、服务器等领域，适用在各种需要双向开关的拓扑结构而出现的应用场景中。
 
CoolGaN™ BDS 40V是一款基于英飞凌肖特基栅极氮化镓自主技术的常闭单片双向开关。它能阻断两个方向的电压，并且通过单栅极共源极的设计进行了优化，以取代电池供电消费产品中用作断开开关的背对背 MOSFET。首款40V CoolGaN™ BDS产品的 R_DS(on) 值为 6mΩ，后续还将推出一系列产品。
 
相比背对背硅FET，使用40V GaN BDS的优点包括节省50%-75%的PCB面积、降低50%以上的功率损耗，以及减少成本。基于该产品特点和优势，T-type拓扑结构的车载应用、Vienna结构的PFC以及储能里用到的单极Cyclo等领域，都将被BDS所推进。
 
据透露，6mΩ型号的CoolGaN™ BDS 40V工程样品现已上市，4mΩ和9mΩ型号的工程样品将于2024年第三季度上市。CoolGaN™ BDS 650V的样品将于2024年第四季度推出，850V的样品将于2025年初问世。
 

• CoolGaN™ Smart Sense：CoolGaN™ Smart Sense产品具有无损电流检测功能，简化了设计并进一步降低了功率损耗，同时将各种晶体管开关功能集成到一个封装中，适用于消费类USB-C充电器和适配器。

 
程文涛表示Smart的概念就是通过自身沟槽去做电流检测，其实这种概念在MOS管的时候就有，但大部分场景下是低压沟槽型MOS会用的比较多，目前在市场应用中并没有太多产品采用这样的技术。不过氮化镓材料在很多应用场景里都非常需要内含电流检测的功能。
 
一方面是为了保障安全，其次，电流检测部分不需要为了电流检测而付出其他的噪声和效率方面的代价。这也正是英飞凌CoolGaN™ Smart Sense产品的重要意义所在。
 
据了解，CoolGaN™ Smart Sense产品具有2kV静电放电耐受能力，可连接到控制器电流感应以实现峰值电流控制和过流保护。电流检测响应时间约为200ns，小于等于普通控制器的消隐时间，具有极高的兼容性。
 
使用这些器件可提高效率并节约成本。与传统的150mΩ GaN晶体管相比，CoolGaN™ Smart Sense产品在R_DSs(on)（例如350mΩ）更高的情况下，能以更低的成本提供类似的效率和热性能。此外，这些器件与英飞凌的分立CoolGaN™封装脚位兼容，无需进行布局返工和PCB重焊，进一步方便了使用英飞凌GaN器件的设计。
 
据悉，CoolGaN™ Smart Sense样品将于2024年8月推出。
 

• CoolGaN™ Drive：类似于集成的驱动器器件。程文涛指出，氮化镓器件的门极驱动对于市场和客户来讲存在诸多难点，尤其是以电压型驱动技术为代表的技术路线依然有应用挑战。对此，英飞凌把驱动器跟单管集成在一个封装中，在高效驱动相应器件的同时，又能够安全可靠的使用该器件。

 
程文涛强调，CoolGaN™ Drive系列可以为客户系统设计提升效益，例如去掉感应电阻提高效率、无散热器设计、超低功耗，以及节省产品尺寸和成本等诸多优势。
 

• CoolGaN™ Control：将控制、驱动跟开关集成起来的系统级方案。

 
在英飞凌宽禁带半导体产能方面，据悉，英飞凌在马来西亚居林和奥地利菲拉赫的两座工厂致力于扩大碳化硅和氮化镓功率半导体的产能，并计划在质量验证通过后的3年内全面过渡到8英寸产能。其中居林工厂计划从2025年第1季度开始，将推出8英寸的产品。英飞凌也将据此扩大CoolGaN^TM的优势和产能，确保其在GaN器件市场供应链的稳定性。
 

• 英飞凌亮相2024慕尼黑上海电子展

 
另外，在本届慕尼黑上海电子展期间，英飞凌还举办了2024英飞凌宽禁带论坛，围绕第三代半导体材料的市场发展趋势、宽禁带对能源效率的影响，以及宽禁带功率器件面临的机遇和挑战等展开分享和讨论。
 
在2024慕尼黑上海电子展展位现场，英飞凌携广泛的功率及电源类半导体产品亮相，以“低碳化和数字化推动可持续发展”为主题，全面展示了英飞凌在绿色低碳可持续技术领域的深厚积淀，以及在绿色能源与工业、智能家居、电动汽车等应用市场的创新解决方案。
 

英飞凌展台
 
能看到，作为全球功率系统领域的半导体领导者，英飞凌在第三代半导体如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）领域持续布局，通过技术创新、产能扩张及市场应用拓展，为光伏、储能、智能家居、新能源汽车等低碳化趋势下的关键行业提供了高性能的功率半导体解决方案，推动了行业的绿色转型和可持续发展。