氮化鎵和碳化硅能夠在高壓和高開關頻率條件下實現高電源效率，前景備受看好，而氮化鎵比碳化硅更具成本優勢，因此未來會被快速應用。然而對于氮化鎵功率器件來說，最重要的挑戰是可靠性、成本以及驅動等問題。近日，英飛凌推出了CoolGaN?600V增強型HEMT和氮化鎵開關管專用驅動IC來解決相關問題。

英飛凌大中華區副總裁、電源管理及多元化市場事業部負責人潘大偉表示，CoolGaN?是打開高效能源之門的鑰匙。因為他在更高電壓運行，具有更高頻率的開關、更薄的主動層、功率密度擴散、散熱能力提升等特點，因此可實現提升效率、更穩定可靠、更高功率密度、減小系統尺寸、簡化控制、降低系統成本等好處。

據英飛凌電源管理及多元化市場事業部高壓GaN高級產品營銷經理鄧巍博士介紹，CoolGaN的優值系數(FOM)在當前市場上的所有600V器件中首屈一指，而且開關的柵極電荷極低，且具有極少輸出電容，可在反向導通狀態下提供優異的動態性能，進而大幅提高工作頻率，從而通過縮小被動元器件的總體尺寸，提高功率密度。同時，CoolGaN在功率因數校正(PFC)變流器里具有超高的能效(2.5kWPFC能效>99.3%)，相同能效下的功率密度可達到160W/in3(3.6kWLLC能效>98%)。另外，在諧振拓撲中，CoolGaN線性輸出電容可將死區時間縮短至八分之一到十分之一。

以產品可靠性  解決客戶之需

對于氮化鎵功率器件而言，可靠性問題是最重要的挑戰。對此，英飛凌表示：“我們的氮化鎵HEMT專為量產而設計、開發和發布。質量永遠是我們永遠需要保證的第一因素，我們的目標是在整個生命周期實現小于1FIT。放眼市場，CoolGaN擁有行業領先的可靠性。在質量控制過程中，我們不僅對器件本身進行全面測試，而且對其在應用環境中的性能進行全面測試，這確保了CoolGaN開關滿足甚至優于最高質量標準”據介紹，這種架構只有松下和英飛凌獨有。

鄧魏博士透露，氮化鎵器件作為一個常開型器件，很難被客戶所應用和接受。因為用戶對硅器件或其他器件的常關型理念非常熟悉，而且形成了習慣。為了解決這一問題，并且使氮化鎵器件達到最長的使用壽命，英飛凌的CoolGaN600V增強型HEMT采用采用了業界獨一無二的常閉式概念解決方案。

據介紹，氮化鎵作為第三代半導體器件，如果不在柵極做任何的電壓動作的話，它中間有一個二維電子器的層，中間會有電子流動。英飛凌柵極加了P型氮化鎵，將氮化鎵做成了常關型器件。

另一方面，動態RDS(ON)是氮化鎵比較棘手的問題，鄧魏表示英飛凌可以解決這個問題，其關鍵在于P型氮化鎵漏極接觸，從而避免電流崩潰。由于電子在開關的時候被漏級的電子陷在里面不流通，這樣會造成有影響。而把P型氮化鎵引入之后，就可以把表面的電子中和掉，這樣可以從根本上解決問題。

另外，據介紹，英飛凌氮化鎵產品的等效電路的柵極是一個阻性的柵極，有一個二極管進行自鉗斷式阻性柵極：阻性柵極內部將VGS鉗位到安全范圍。高柵極電流可實現快速導通，因此是一個穩健的柵極驅動拓撲。

鄧魏還表示，競爭對手用的可靠性模型，往往是非常激進的。其展示的往往是最好的案例，卻沒有真正解決RDS(ON)的問題，這會導致在使用中壽命有所降低。英飛凌永遠展示比較保守的模型，且產品的使用壽命大于10年，數據參數等會考慮很多的余量。“我們動態的RDS(on)為0的，有更穩健的柵極理念，我們有專門的資質認證方法，所以，英飛凌的氮化鎵是業內最可靠的產品之一。”

專用驅動  提升效率

除了可靠性問題之外，由于氮化鎵的開關頻率非常快，因此驅動IC很難匹配，因此氮化鎵器件供應商都要提供定制化驅動IC，英飛凌也不例外。

鄧魏表示，氮化鎵功率器件的驅動要考慮一些特殊性。首先氮化鎵一定要有一個穩態的導沖電流來保持它的開通，然后需要負脈沖來關斷。負電流也需要有一個負電壓把它關斷，所以穩態的導沖電流加上負電壓的關斷，這會對電源驅動設計造成極大挑戰。因此，而并非所有的客戶都有很好的研發能力來驅動氮化鎵，如果驅動不好，它的優勢就不能最大化。“我們深刻體會到客戶的需求，所以我們自主研發了氮化鎵的三款不同的驅動器。”

據介紹，英飛凌氮化鎵開關管驅動芯片EiceDRIVERIC——1EDF5673K、1EDF5673F和1EDS5663H——是CoolGaN增強型HEMT的完美搭檔。它們經專門研發，以確保CoolGaN開關實現強健且高效的運行，同時最大限度地減少工程師研發工作量，加快將產品推向市場。

不同于傳統功率MOSFET的柵極驅動IC，這個針對英飛凌CoolGaN量身定制的柵極驅動IC可提供負輸出電壓，以快速關斷氮化鎵開關。在開關應處于關閉狀態的整個持續時間內，GaNEiceDRIVERIC可以使柵極電壓穩定保持為零。這可保護氮化鎵開關不受噪音導致誤接通的影響，哪怕是首脈沖，這對于SMPS實現強健運行至關重要。這些氮化鎵柵極驅動IC可實現恒定的GaNHEMT開關轉換速率，幾乎不受工作循環或開關速度影響。這可確保運行穩健性和很高能效，大大縮短研發周期。它集成了電隔離，可在硬開關和軟開關應用中實現強健運行。它還可在SMPS一次側和二次側之間提供保護，并可根據需要在功率級與邏輯級之間提供保護。

市場需求  終將降低成本

在市場方面，降低成本加速推廣，是未來氮化鎵技術廣泛使用的主要障礙。目前氮化鎵器件的價格大約是硅器件6倍，對于氮化鎵成本降低方面，英飛凌工作人員表示充滿信心。

鄧魏認為，首先，氮化鎵具有總體系統成本優勢。氮化鎵的優勢在于能夠使拓撲結構變得更加節湊，這是光看單個器件成本所體現不出來的，必須得把整個系統的成本考慮進去。其次，氮化鎵是一種新產品，隨著未來數量增長后，成本自然會下降。而且，現在很多廠家都在往更大的晶圓上發展，晶粒尺寸也會縮小，這意味著單個晶圓產生的數量會更多，那么成本又會縮減。因此未來氮化鎵成本的縮減是比較大幅度的，跟硅相比差距變得越來越小。

鄧魏表示，氮化鎵現在的發展非常快，未來基于氮化鎵的器件市場總值有望超過10億美元，電源類產品大概占到整個市場的40%左右。英飛凌在氮化鎵方面關注五到六個目標應用，比如服務器、電芯、無線充電、音頻、適配器等應用。“我們希望更多的領域來嘗試我們的氮化鎵產品。我們也在和客戶、分銷商一起來探索如何應用氮化鎵到更多的領域當中，比如太陽能、照明、消費電子、電視等。”

調研機構Yole預估，氮化鎵元件2015年～2021年的成長率將達83%，其中電源供應器將占相當大的一部份，近六成左右，預計氮化鎵功率半導體市場將飛速增長。

布局汽車領域

氮化硅和氮化鎵都被譽為第三代半導體，很多人對它們的差別并不太清楚。據鄧魏介紹，從600V一直到3.3kv是氮化硅類比較合適的應用場景，氮化鎵定位于100-600V左右的高頻應用。

從汽車領域來看，碳化硅更適用于50千瓦以上更大功率的應用場景，如汽車、火車等，這些場景對于成本也不敏感。相對來說氮化鎵在電動汽車領域會和碳化硅有一定的競爭，20千瓦以下則主要是氮化鎵的市場。

鄧魏認為，從市場的分布來說，氮化鎵在汽車類的應用可能起步比較晚，目前在汽車領域布局氮化鎵還不是時候，因為汽車領域不管是從可靠性還是其他方面要求都是比較高的，甚至比工業領域級別要求還要高，因此要等到系統成本能夠有所縮減和可靠性達到一定證明的時候，氮化鎵才能在汽車領域充分地發揮作用。

但他又認為特別未來幾年，汽車是氮化鎵非常大的應用場景。“英飛凌會在這些方面都有所投入。2019年，我們會慢慢地發布我們的氮化鎵在汽車領域的路線圖。48VDC-DC和OBC是我們著重考慮和體現優勢的兩個領域。”