東科力推7款合封氮化鎵主控芯片 — 功率覆蓋12W-65W

2021年是氮化鎵技術(shù)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(dǎo)體繼推出國(guó)內(nèi)外首顆合封氮化鎵快充芯片以來(lái)，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(dǎo)體無(wú)錫有限公司副總經(jīng)理孫經(jīng)緯先生發(fā)表了《加速氮化鎵全面普及-東科半導(dǎo)體全系合封氮化鎵產(chǎn)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(gè)部分：1、技術(shù)革新，產(chǎn)業(yè)升級(jí)就在現(xiàn)在；2、像硅一樣使用氮化鎵，其余的交給我們；3、實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，參考設(shè)計(jì)性能參數(shù)展示。

通過(guò)氮化鎵等第三代元器件的大批量生產(chǎn)和PD快充的需求增加，通過(guò)氮化鎵進(jìn)行技術(shù)革新，實(shí)現(xiàn)電源行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

2021年，功率氮化鎵市場(chǎng)將達(dá)到6100萬(wàn)美元，到2025年，功率氮化鎵市場(chǎng)將達(dá)到6.8億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)90.6%，目前主流應(yīng)用為移動(dòng)和消費(fèi)類產(chǎn)品，而汽車電子應(yīng)用剛剛起步，使用量更大的工業(yè)，通信，新能源等領(lǐng)域尚未應(yīng)用，有著非常廣闊的市場(chǎng)空間。氮化鎵的高效率，有助于減少碳排放，節(jié)能的同時(shí)保護(hù)環(huán)境。

第三代半導(dǎo)體帶來(lái)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，其中氮化鎵器件的優(yōu)點(diǎn)是E-GaN沒(méi)有反向恢復(fù)損耗，具有極佳的動(dòng)態(tài)FOM，具有績(jī)效的開(kāi)關(guān)交叉損耗和導(dǎo)通損耗，高擊穿電壓，高熱導(dǎo)率，高電子飽和速率帶來(lái)更低的導(dǎo)通電阻，驅(qū)動(dòng)方式與硅MOS基本相同。缺點(diǎn)是可靠性穩(wěn)定性需要大量實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)證明，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)制造工藝復(fù)雜，電流崩塌現(xiàn)象，EMI問(wèn)題，高頻工作下PCB和變壓器材料選型問(wèn)題。

寬禁帶半導(dǎo)體從新需求（快充，新能源汽車）開(kāi)始，到新材料（半導(dǎo)體材料，磁性材料）發(fā)展，再到新制造工藝開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)新的算法，新型的設(shè)計(jì)，到新型的封裝和加工工藝，拉動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈同步發(fā)展。

東科通過(guò)合封芯片，將氮化鎵集成在芯片內(nèi)部，并通過(guò)一系列驅(qū)動(dòng)及保護(hù)措施，最大程度降低氮化鎵應(yīng)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(zhǔn)諧振架構(gòu)，最高工作頻率200kHz，據(jù)了解，還有一顆65W的ACF拓?fù)涞暮戏庑酒€在調(diào)試中，工作頻率可達(dá)500kHz。

東科推出45W氮化鎵合封芯片，DK051SE，采用ESOP8封裝，增強(qiáng)散熱，內(nèi)置650V400mΩ導(dǎo)阻E-GaN，邏輯控制器，驅(qū)動(dòng)器及高壓啟動(dòng)管，采用變頻QR模式，設(shè)計(jì)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(nèi)置650V120mΩ導(dǎo)阻E-GaN，邏輯控制器，驅(qū)動(dòng)器和高壓?jiǎn)?dòng)管，采用變頻QR工作模式，設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，內(nèi)置高壓?jiǎn)?dòng)和X電容放電，內(nèi)置GaN開(kāi)關(guān)管和驅(qū)動(dòng)，支持寬Vcc供電范圍，支持退磁檢測(cè)，采用ESOP8和QFN增強(qiáng)散熱的封裝，可大幅簡(jiǎn)化功率部分電路，與主流外置QR和ACF方案對(duì)比，元件數(shù)量大幅減少，成本大幅下降。

東科從三個(gè)方面介紹了為什么現(xiàn)在QR仍然是市場(chǎng)主流。1、性價(jià)比，QR在不損失太多效率的前提下，相比ACF架構(gòu)，可以大幅縮小成本，省去半橋驅(qū)動(dòng)，數(shù)字隔離，上端GaN管子，簡(jiǎn)化整體成本。2、調(diào)試難度，ACF元器件復(fù)雜，調(diào)試難度困難，QR的GaN和硅方案相比差別不大，調(diào)試難度小，設(shè)計(jì)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(guò)降低GaN柵極驅(qū)動(dòng)面積和減小引線長(zhǎng)度來(lái)降低寄生電感，減小振鈴，避免過(guò)沖和下沖導(dǎo)致的誤開(kāi)通，誤關(guān)斷。將驅(qū)動(dòng)和管子集成在一起可以有效降低寄生參數(shù)。

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

傳導(dǎo)輻射真的難調(diào)嗎？反向恢復(fù)表現(xiàn)在功率環(huán)路中產(chǎn)生電流，從而導(dǎo)致過(guò)沖和振鈴，對(duì)EMI產(chǎn)生影響，E-GaN沒(méi)有反向恢復(fù)。電路板的Lauout非常重要，功率環(huán)路的寄生電感會(huì)導(dǎo)致在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生電壓過(guò)沖，這是形成功率輻射的重要因素。東科建議可以在開(kāi)關(guān)損耗和EMI之間尋找折中。

氮化鎵的可靠性正在得到驗(yàn)證。其中硅的可靠性已經(jīng)經(jīng)過(guò)了數(shù)十年的證明，供應(yīng)商表示GaN等寬禁帶材料的失效率可以與硅相當(dāng)，東科的供應(yīng)商已經(jīng)能證明現(xiàn)在的GaN功率管的失效率小于0.1，動(dòng)態(tài)導(dǎo)阻等問(wèn)題也已經(jīng)得到了很好的解決，同時(shí)東科的老化車間正在全方位驗(yàn)證合封芯片的穩(wěn)定性。

成本，永遠(yuǎn)是實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，只有成本低了，一個(gè)東西才能走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)行產(chǎn)業(yè)化。在2020年之前，寬禁帶半導(dǎo)體器件的價(jià)格遠(yuǎn)高于硅器件。隨著市場(chǎng)需求的增加，大量生產(chǎn)，同時(shí)引入新技術(shù)，良品率提高，寬禁帶半導(dǎo)體器件的價(jià)格迅速下降。

在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，寬禁帶半導(dǎo)體的價(jià)格會(huì)快速逼近硅器件，但不會(huì)比硅器件更便宜。寬禁帶半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)升級(jí)應(yīng)用將帶動(dòng)包括磁性材料在內(nèi)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(jià)格，將非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。

東科介紹基于氮化鎵的準(zhǔn)諧振反激電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)，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(dǎo)通的優(yōu)勢(shì)來(lái)減小開(kāi)關(guān)損耗。反射電壓和匝比取值有學(xué)問(wèn)，要兼顧初級(jí)次級(jí)側(cè)電壓電流應(yīng)力，還要充分利用谷底導(dǎo)通優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)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(shí)還劣化EMI。還要注意高頻下的交流電趨膚效應(yīng)，可以使用利茲線提高趨膚深度。使用高質(zhì)量的磁芯，是提高轉(zhuǎn)換效率最簡(jiǎn)單的方式。最后要注意散熱設(shè)計(jì)，防止芯片熱失控，在功率管下面做好過(guò)孔。

下面，一起來(lái)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(shè)計(jì)，采用東科DK051SC+DK5V60R15S，25W合封氮化鎵芯片加60V15mΩ同步整流。準(zhǔn)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(dá)91.31%，帶殼全密封芯片溫度95℃。

東科36W PD快充參考設(shè)計(jì)，采用東科DK051SD+DK5V100R10S，36W合封氮化鎵芯片加100V9mΩ同步整流。準(zhǔn)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(dá)93.18%，帶殼全密封芯片溫度101℃。

東科45W PD快充參考設(shè)計(jì)，采用東科DK051SE+DK5V100R10S，45W合封氮化鎵芯片加100V9mΩ同步整流。準(zhǔn)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(dá)93.24%，帶殼全密封芯片溫度104℃。

東科65W PD快充參考設(shè)計(jì)，采用東科DK051QF+DK5V100R10M，65W合封氮化鎵芯片加100V10mΩ同步整流。準(zhǔn)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(dá)94.31%，帶殼全密封芯片溫度107℃。