2021年是氮化鎵技術大規(guī)模商用的一年，也是合封氮化鎵芯片快速發(fā)展的一年。東科半導體繼推出國內外首顆合封氮化鎵快充芯片以來，持續(xù)深耕合封工藝，推出了適用于不同功率范圍的高集成氮化鎵芯片。

在3月26日舉辦的「2021（春季） USB PD＆Type-C亞洲展」上，東科半導體無錫有限公司副總經理孫經緯先生發(fā)表了《加速氮化鎵全面普及-東科半導體全系合封氮化鎵產品介紹》主題演講。下面為大家分享本次演講的PPT詳解：

本次演講分為三個部分：1、技術革新，產業(yè)升級就在現在；2、像硅一樣使用氮化鎵，其余的交給我們；3、實戰(zhàn)應用，參考設計性能參數展示。

通過氮化鎵等第三代元器件的大批量生產和PD快充的需求增加，通過氮化鎵進行技術革新，實現電源行業(yè)的產業(yè)升級。

2021年，功率氮化鎵市場將達到6100萬美元，到2025年，功率氮化鎵市場將達到6.8億美元，年復合增長率達90.6%，目前主流應用為移動和消費類產品，而汽車電子應用剛剛起步，使用量更大的工業(yè)，通信，新能源等領域尚未應用，有著非常廣闊的市場空間。氮化鎵的高效率，有助于減少碳排放，節(jié)能的同時保護環(huán)境。

第三代半導體帶來產業(yè)技術升級，其中氮化鎵器件的優(yōu)點是E-GaN沒有反向恢復損耗，具有極佳的動態(tài)FOM，具有績效的開關交叉損耗和導通損耗，高擊穿電壓，高熱導率，高電子飽和速率帶來更低的導通電阻，驅動方式與硅MOS基本相同。缺點是可靠性穩(wěn)定性需要大量實驗室數據證明，AlGaN/GaN異質結制造工藝復雜，電流崩塌現象，EMI問題，高頻工作下PCB和變壓器材料選型問題。

寬禁帶半導體從新需求（快充，新能源汽車）開始，到新材料（半導體材料，磁性材料）發(fā)展，再到新制造工藝開發(fā)，開發(fā)新的算法，新型的設計，到新型的封裝和加工工藝，拉動整個產業(yè)鏈同步發(fā)展。

東科通過合封芯片，將氮化鎵集成在芯片內部，并通過一系列驅動及保護措施，最大程度降低氮化鎵應用難度，就像傳統(tǒng)集成電源芯片一樣使用。

東科推出了12W到65W合封氮化鎵電源管理芯片，涵蓋12W、25W、36W、45W、65W功率需求，并提供不同封裝。均使用反激準諧振架構，最高工作頻率200kHz，據了解，還有一顆65W的ACF拓撲的合封芯片還在調試中，工作頻率可達500kHz。

東科推出45W氮化鎵合封芯片，DK051SE，采用ESOP8封裝，增強散熱，內置650V400mΩ導阻E-GaN，邏輯控制器，驅動器及高壓啟動管，采用變頻QR模式，設計輸出功率為45W，最高工作頻率200kHz。

東科推出65W氮化鎵合封芯片，DK051QF，采用QFN5*6封裝，內置650V120mΩ導阻E-GaN，邏輯控制器，驅動器和高壓啟動管，采用變頻QR工作模式，設計輸出功率為65W，最高工作頻率200kHz。

東科的氮化鎵合封芯片外圍非常簡單，內置高壓啟動和X電容放電，內置GaN開關管和驅動，支持寬Vcc供電范圍，支持退磁檢測，采用ESOP8和QFN增強散熱的封裝，可大幅簡化功率部分電路，與主流外置QR和ACF方案對比，元件數量大幅減少，成本大幅下降。

東科從三個方面介紹了為什么現在QR仍然是市場主流。1、性價比，QR在不損失太多效率的前提下，相比ACF架構，可以大幅縮小成本，省去半橋驅動，數字隔離，上端GaN管子，簡化整體成本。2、調試難度，ACF元器件復雜，調試難度困難，QR的GaN和硅方案相比差別不大，調試難度小，設計周期短。3、可靠性，單芯片控制單功率管的QR比多芯片控制多功率管的ACF要穩(wěn)定和可靠。

東科合封通過降低GaN柵極驅動面積和減小引線長度來降低寄生電感，減小振鈴，避免過沖和下沖導致的誤開通，誤關斷。將驅動和管子集成在一起可以有效降低寄生參數。

東科的合封方案，驅動環(huán)路面積小于0.1mm2，而友商的驅動芯片加GaN功率管方案，驅動環(huán)路面積約等于10mm2，差距非常明顯。

傳導輻射真的難調嗎？反向恢復表現在功率環(huán)路中產生電流，從而導致過沖和振鈴，對EMI產生影響，E-GaN沒有反向恢復。電路板的Lauout非常重要，功率環(huán)路的寄生電感會導致在開關節(jié)點產生電壓過沖，這是形成功率輻射的重要因素。東科建議可以在開關損耗和EMI之間尋找折中。

氮化鎵的可靠性正在得到驗證。其中硅的可靠性已經經過了數十年的證明，供應商表示GaN等寬禁帶材料的失效率可以與硅相當，東科的供應商已經能證明現在的GaN功率管的失效率小于0.1，動態(tài)導阻等問題也已經得到了很好的解決，同時東科的老化車間正在全方位驗證合封芯片的穩(wěn)定性。

成本，永遠是實驗室和產業(yè)化的關鍵，只有成本低了，一個東西才能走出實驗室實行產業(yè)化。在2020年之前，寬禁帶半導體器件的價格遠高于硅器件。隨著市場需求的增加，大量生產，同時引入新技術，良品率提高，寬禁帶半導體器件的價格迅速下降。

在可預見的未來，寬禁帶半導體的價格會快速逼近硅器件，但不會比硅器件更便宜。寬禁帶半導體的產業(yè)升級應用將帶動包括磁性材料在內的其他高頻元器件成本同步下降，整體方案成本，氮化鎵方案將優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件方案。東科合封氮化鎵的價格，將非常具有競爭力。

東科介紹基于氮化鎵的準諧振反激電源設計要點，首先要了解芯片的工作原理，尤其是輕載IPEAK峰值電流和頻率的處理方式，要充分利用QR谷底導通的優(yōu)勢來減小開關損耗。反射電壓和匝比取值有學問，要兼顧初級次級側電壓電流應力，還要充分利用谷底導通優(yōu)勢。

同時要盡量減小變壓器漏感，有條件的要使用平面變壓器，變壓器漏感在降低效率的同時還劣化EMI。還要注意高頻下的交流電趨膚效應，可以使用利茲線提高趨膚深度。使用高質量的磁芯，是提高轉換效率最簡單的方式。最后要注意散熱設計，防止芯片熱失控，在功率管下面做好過孔。

下面，一起來看東科氮化鎵合封芯片的性能展示吧。

東科25W PD快充參考設計，采用東科DK051SC+DK5V60R15S，25W合封氮化鎵芯片加60V15mΩ同步整流。準諧振反激加同步整流，工作頻率130kHz，尺寸為24.3*25.26.5mm，功率密度為1.55W/CC，最高效率達91.31%，帶殼全密封芯片溫度95℃。

東科36W PD快充參考設計，采用東科DK051SD+DK5V100R10S，36W合封氮化鎵芯片加100V9mΩ同步整流。準諧振反激加同步整流，工作頻率130kHz，尺寸為37.9*35*21.6mm，功率密度為1.25W/CC，最高效率達93.18%，帶殼全密封芯片溫度101℃。

東科45W PD快充參考設計，采用東科DK051SE+DK5V100R10S，45W合封氮化鎵芯片加100V9mΩ同步整流。準諧振反激加同步整流，工作頻率130kHz，尺寸為42.1*39.7*21.9mm，功率密度為1.23W/CC，最高效率達93.24%，帶殼全密封芯片溫度104℃。

東科65W PD快充參考設計，采用東科DK051QF+DK5V100R10M，65W合封氮化鎵芯片加100V10mΩ同步整流。準諧振反激加同步整流，工作頻率130kHz，尺寸為66.6*29*23.8mm，功率密度為1.41W/CC，最高效率達94.31%，帶殼全密封芯片溫度107℃。