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英飞凌 CoolGaN IPS 系列开启功率电子新时代

未来半导体技术的提升,除了迎接摩尔定律带来的极限挑战以外,寻找硅(Si)以外新一代的半导体材料,也就成了一个重要方向。在这个过程中,氮化镓(GaN)成为近年来第三代化合物半导体超级风口上的一个高频词汇,越来越多地进入人们的视野,尤其是在电源领域,氮化镓技术大有可为。

作为功率半导体市场的领导者,英飞凌于近期推出集成式功率级(IPS)CoolGaN™ IPS 系列产品,成为旗下众多第三代化合物半导体 功率元件组合中的重要一员。在日前举办的媒体沟通会上,英飞凌电源与传感系统事业部大中华区副总裁 陈志豪,以及英飞凌电源与传感系统事业部应用市场经理卢柱强出席会议,为OFweek电子工程网及众多媒体朋友分享了氮化镓技术的发展趋势与前沿应用,以及英飞凌的 CoolGaN™ IPS 系列产品的技术创新及其为产业带来的新的市场机会。

英飞凌电源与传感系统事业部大中华区副总裁 陈志豪

(本文图片均由英飞凌提供

英飞凌电源与传感系统事业部应用市场经理 卢柱强

充电器技术和发展和趋势

众所周知,智能手机行业迅速崛起,带来了相关配件产业的高速发展,也不断改变着配件厂商的战略地位和话语权,其中充电解决方案成为了众多头部厂商的“兵家必争之地”。在卢柱强看来,这几年充电器变化很大,其技术和市场趋势朝着以下几个方向变化:

一是大功率,随着移动互联应用的需求增加,电池容量不断增加,步入5G时代更是让电池容量得到质的飞跃。与此同时充电器的功率也会倍增,尤其是峰值功率会提高,来满足大家短时快速充电的需求,从而避免电量焦虑;二是小尺寸、轻量化的充电器会更加受欢迎,从专业的角度来说就是功率密度越高越好;三是通用性,当前Type-C接口是主流,但依然有不同充电接口存在,如何让一个充电器就能支持全部产品供电和充电是市场的强烈诉求;四是低成本,面向消费电子市场,在满足技术要求的同时,也希望在成本上达到一个优化,在大家可以接受的范围内。

卢柱强认为,上面提到的四点会是充电器现在和未来一小段时间内的发展方向,也是英飞凌作为半导体芯片和功率器件供应商的切入点所在。在英飞凌跟赛普拉斯合并之后,可以更全面地为充电器设计提供一站式的半导体方案。

整个充电器离不开方案,在方案层面,英飞凌已经能够提供从18W到100W整套系列、覆盖各个功率段的方案。比如面对消费市场的PAG1方案,可以满足大家对低成本或者是高性价比的方案诉求。在高功率密度方案上,英飞凌采用PFC+混合反激结构,可实现宽电压范围,不同电压输出和不同负载下的效率优化。“在这之后,每隔一小段时间,我们会针对不同的细分的应用,或者客户的痛点,或者是结合新的产品方向,会有新的一代系列的产品推出,”卢柱强表示,“这也是我们在整个时间轴上,英飞凌一直在追求的高效率、高功率密度,以及成本优化的方向。”

英飞凌600 V CoolGaN 半桥式 IPS IGI60F1414A1L

瞄准中低功率应用,CoolGaN™ IPS 系列开启功率电子新时代

说到高效率、高功率密度,以及成本优化,氮化镓(GaN)等宽禁带材料自然成为了当前爆发的重点。实际上,2018年英飞凌的GaN开关管的产品就已经在客户产品上量产,在通讯和服务器领域里面持续、稳定地为客户提供电源,并且到现在还在持续发货。

据介绍,英飞凌推出的集成式功率级(IPS)产品 CoolGaN™ IPS 系列,成为旗下众多 WBG 功率元件组合的最新产品。IPS 基本的产品组合包括半桥和单通道产品,目标市场为低功率至中功率的应用,例如充电器、适配器以及其他开关电源(SMPS)。

代表产品 600 V CoolGaN 半桥式 IPS IGI60F1414A1L适合低功率至中功率范围、小型轻量化的设计应用。外观为8x8 QFN-28封装型式,针对散热效能进行强化,可为系统提供极高的功率密度。此产品包含两个140 mΩ / 600 V CoolGaN 增强型(e-mode)HEMT 开关以及英飞凌 EiceDRIVER™系列中的电气隔离专用高低侧栅极驱动器。

隔离栅极驱动器拥有两个数字 PWM 输入,让 IGI60F1414A1L 更易于控制。 为了达到缩短开发时间、减少系统物料清单项目和降低总成本等目标,利用集成隔离功能、明确分隔数字和电源接地以及简化PCB配置等,皆是不可或缺的要素。栅极驱动器采用英飞凌的单芯片无磁芯变压器(CT)技术,将输入与输出有效隔离。 即便在电压上升或下降速率超过 150 V/ns 的超快速切换瞬时下,仍可确保高速特性和杰出的稳定性。

IGI60F1414A1L的切换特性可以简易地根据不同的应用借由一些栅极路径的被动元件诸如阻容器件实现。例如,此特性可使电流或电压速率优化,以降低电磁干扰(EMI)效应、稳态栅极电流调整和负栅极电压驱动,在硬切换开关应用中稳定运行。

此外,系统级封装集成和栅极驱动器具备的高精度和稳定的传输延迟,可让IGI60F1414A1L提供最低的系统死区时间。 这将有助于系统效率极大化,使充电器和适配器解决方案的功率密度提升至更高水平,达到35 W/in3。 灵活、简单及快速的设计特色,也适用于如 LLC 谐振拓扑结构、马达驱动器等其他应用。

卢柱强还提到了一些采用GaN充电器解决方案下的重要问题,由于GaN具有在高频、轻载的场合下可以减少开关损耗,且越高频率效果越好的特性,因此成为了充电器市场越来越主流的选择。但GaN功率器件也很容易损坏,频率越高、震荡越大,越容易坏。对此,英飞凌考虑将驱动IC和开关器件集中起来,放到同一个Package(封装)里面,以减少外部互相的干扰,提高它的可靠性,同时也更易于给工程师做设计。

作为目前业内为数不多的一家能够全部供应硅、碳化硅和氮化镓三大类材料产品的功率半导体厂家,英飞凌在该领域已有超过20年经验,在面对GaN领域不断涌入新玩家的市场格局下,陈志豪表示:“英飞凌不惧该领域竞争,甚至欢迎众多竞争者加入。凭借我们过去20多年来在硅领域的沉淀和积累,以及在12寸晶圆上的工艺技术,我们有信心依靠自己IDE可靠性和品质实现与业内的差异化竞争。”

对于GaN未来发展以及英飞凌未来的布局领域, 陈志豪表示,只要是客户认可的方向和市场,英飞凌都会提供自己高可靠性和高集成度的方案进行配合,而不是限定在充电器或者是某一领域。

关于英飞凌

英飞凌2020财年(截止9月30日)销售额达85亿欧元,目前在全球有37个研发中心,包含产品、晶圆厂和后道工厂的研发中心。英飞凌在全球广泛布局,后道工厂主要分布在中国的无锡、马来西亚、印尼,还有欧洲。前道工厂主要分布在马来西亚、欧洲和美国。在完成对赛普拉斯的并购后,英飞凌在全球有超过46000名员工,已成为全球十大半导体供应商之一。

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