电子发烧友网报道(文/黄晶晶)2023年10月,英飞凌成功收购GaN Systems,后者是在氮化镓芯片设计领域,有着独特的技术和产品积累的公司。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表示,英飞凌在收购GaN Systems后,氮化镓产品品类大幅增加,进而让英飞凌在氮化镓领域的IP储量更加领先。双方研发资源的整合和应用人员的协作,产生更多设计思想的火花,拓宽了技术研发的思路,同时也大幅度提升了产品从研发到上市的速度。
图: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
GaN 产品线扩充
英飞凌在收购GaN Systems前主要提供两类氮化镓产品,即分立式功率器件和集成式功率器件。收购后品类由两类增加至五类。第一类叫CoolGaN Transistor,也就是原来的单管。第二类是CoolGaN BDS双向开关,第三类CoolGaN Smart Sense,是内部包含电流检测或者其他检测功能的器件。第四类CoolGaN Drive类似以前集成的驱动器器件,第五类CoolGaN Control集成控制、驱动和开关功能的器件。
英飞凌的CoolGaN Transistor器件覆盖中压、高压,且只做增强型器件,并同时拥有电压型驱动和电流型驱动两种技术。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分析,现在增强型的氮化镓有两种门极结构即电流型驱动和电压型驱动。电流型驱动是指如果让氮化镓维持开通,必须要有一个电流,大概在几个毫安到十多个毫安。电压型驱动则是在打开之后不需要任何电流。
图: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
“之所以有电流型驱动这种结构,是因为氮化镓器件开通速度非常快。它的导通电压很低,大概1V左右(1.1V、1.2V),这时候把它开通和关断很容易产生噪声,让它误开通或者误关断。电流型的好处是可以大大抑制这种错误动作的发生。只给它电压很难达到完全的开通,需要电流,这样整个氮化镓开通工作的可靠性会大幅提高。”宋清亮说道。
现在业界只有英飞凌有这种电流型驱动技术,收购GaN Systems之后增加电压型驱动,客户可以根据自己的设计能力和应用环境自行选择。
CoolGaN BDS拥有出色的软开关和硬开关性能,提供40 V、650 V 和 850 V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。
据介绍,CoolGaN BDS 40 V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40 V CoolGaN BDS产品的 RDS(on)值为 6 mΩ,后续还将推出一系列产品。相比背对背硅FET,使用40 V 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。
CoolGaN BDS高压产品分为650 V 和 850 V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。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,该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。
热点应用机会
AI服务器对功率要求越来越高,单个模块的功率向着12KW发展趋势十分明显。宋清亮表示,GPU耗电量比传统CPU高很多,大概在1200瓦,峰值可能达到1700瓦,传统CPU耗电量在300-400瓦,峰值到600瓦。而在单一AI服务器中有很多张AI加速卡。单一机架的功率可能到50-60千瓦,很快预计两三年后就会到300千瓦,甚至更高,那么对其中用到的AC/DC电源或者AI服务器电源,单个模块的功率从现在传统的3千瓦到5.5千瓦、8千瓦、12千瓦演进。
对于AI服务器场景,英飞凌认为需要提供大功率开关电源综合性解决方案,包括硅、碳化硅和氮化镓。宋清亮分析,因为一个AC/DC电源里面包括PFC这种拓扑结构以及DC/DC。对于PFC,因为其工作频率不是很高,比如当输入电压为90V时,这时的电流很大。在这种场景下我们认为碳化硅MOS是具有优势的,因为现在碳化硅MOS的尺寸可以做的非常小,它整个温度变化又很稳定,所以我们认为碳化硅MOS跟PFC比较合适。
此外,DC/DC大部分用的可能是LLC这类谐振拓扑,它的工作频率比较高,我们认为用氮化镓非常合适,比如把氮化镓用在DC/DC的原边侧、副边侧,而对于输出往往会有热插拔的要求。所以从AC/DC电源,从PFC到最终的输出,我们认为碳化硅+氮化镓+硅综合解决方案,综合看性价比和性能而言都是最优的。为此英飞凌已准备好极具竞争力的方案,相信很快氮化镓将大量应用于AI服务器。
此外,氮化镓在电机驱动上的机会会随着电机高频化的需求而增加。宋清亮表示,现在机器人关节需要低压高速电机,有的电机驱动频率做到100K甚至更高,这就能发挥中压如100V、200V氮化镓器件的优势。
小结:
产能建设方面,英飞凌在菲拉赫(奥地利)和居林(马来西亚)的工厂,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 200 毫米(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 200 毫米(8 英寸)的产品。随着这次并购的完成与团队和技术产品的顺利推进,英飞凌的氮化镓器件在产能和可靠性的充分保障之下,有望迎来更高的市场成长。
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