东科力推7款合封氮化镓主控芯片 — 功率覆盖12W-65W

2021年是氮化镓技术大规模商用的一年，也是合封氮化镓芯片快速发展的一年。东科半导体继推出国内外首颗合封氮化镓快充芯片以来，持续深耕合封工艺，推出了适用于不同功率范围的高集成氮化镓芯片。

 

在3月26日举办的「2021（春季） USB PD＆Type-C亚洲展」上，东科半导体无锡有限公司副总经理孙经纬先生发表了《加速氮化镓全面普及-东科半导体全系合封氮化镓产品介绍》主题演讲。下面为大家分享本次演讲的PPT详解：

 

 

本次演讲分为三个部分：1、技术革新，产业升级就在现在；2、像硅一样使用氮化镓，其余的交给我们；3、实战应用，参考设计性能参数展示。

 

 

通过氮化镓等第三代元器件的大批量生产和PD快充的需求增加，通过氮化镓进行技术革新，实现电源行业的产业升级。

 

 

2021年，功率氮化镓市场将达到6100万美元，到2025年，功率氮化镓市场将达到6.8亿美元，年复合增长率达90.6%，目前主流应用为移动和消费类产品，而汽车电子应用刚刚起步，使用量更大的工业，通信，新能源等领域尚未应用，有着非常广阔的市场空间。氮化镓的高效率，有助于减少碳排放，节能的同时保护环境。

 

 

第三代半导体带来产业技术升级，其中氮化镓器件的优点是E-GaN没有反向恢复损耗，具有极佳的动态FOM，具有绩效的开关交叉损耗和导通损耗，高击穿电压，高热导率，高电子饱和速率带来更低的导通电阻，驱动方式与硅MOS基本相同。缺点是可靠性稳定性需要大量实验室数据证明，AlGaN/GaN异质结制造工艺复杂，电流崩塌现象，EMI问题，高频工作下PCB和变压器材料选型问题。

 

 

宽禁带半导体从新需求（快充，新能源汽车）开始，到新材料（半导体材料，磁性材料）发展，再到新制造工艺开发，开发新的算法，新型的设计，到新型的封装和加工工艺，拉动整个产业链同步发展。

 

 

东科通过合封芯片，将氮化镓集成在芯片内部，并通过一系列驱动及保护措施，最大程度降低氮化镓应用难度，就像传统集成电源芯片一样使用。

 

 

东科推出了12W到65W合封氮化镓电源管理芯片，涵盖12W、25W、36W、45W、65W功率需求，并提供不同封装。均使用反激准谐振架构，最高工作频率200kHz，据了解，还有一颗65W的ACF拓扑的合封芯片还在调试中，工作频率可达500kHz。

 

 

东科推出45W氮化镓合封芯片，DK051SE，采用ESOP8封装，增强散热，内置650V400mΩ导阻E-GaN，逻辑控制器，驱动器及高压启动管，采用变频QR模式，设计输出功率为45W，最高工作频率200kHz。

 

 

东科推出65W氮化镓合封芯片，DK051QF，采用QFN5*6封装，内置650V120mΩ导阻E-GaN，逻辑控制器，驱动器和高压启动管，采用变频QR工作模式，设计输出功率为65W，最高工作频率200kHz。

 

 

东科的氮化镓合封芯片外围非常简单，内置高压启动和X电容放电，内置GaN开关管和驱动，支持宽Vcc供电范围，支持退磁检测，采用ESOP8和QFN增强散热的封装，可大幅简化功率部分电路，与主流外置QR和ACF方案对比，元件数量大幅减少，成本大幅下降。

 

 

东科从三个方面介绍了为什么现在QR仍然是市场主流。1、性价比，QR在不损失太多效率的前提下，相比ACF架构，可以大幅缩小成本，省去半桥驱动，数字隔离，上端GaN管子，简化整体成本。2、调试难度，ACF元器件复杂，调试难度困难，QR的GaN和硅方案相比差别不大，调试难度小，设计周期短。3、可靠性，单芯片控制单功率管的QR比多芯片控制多功率管的ACF要稳定和可靠。

 

 

东科合封通过降低GaN栅极驱动面积和减小引线长度来降低寄生电感，减小振铃，避免过冲和下冲导致的误开通，误关断。将驱动和管子集成在一起可以有效降低寄生参数。

 

 

东科的合封方案，驱动环路面积小于0.1mm²，而友商的驱动芯片加GaN功率管方案，驱动环路面积约等于10mm²，差距非常明显。

 

 

传导辐射真的难调吗？反向恢复表现在功率环路中产生电流，从而导致过冲和振铃，对EMI产生影响，E-GaN没有反向恢复。电路板的Lauout非常重要，功率环路的寄生电感会导致在开关节点产生电压过冲，这是形成功率辐射的重要因素。东科建议可以在开关损耗和EMI之间寻找折中。

 

 

氮化镓的可靠性正在得到验证。其中硅的可靠性已经经过了数十年的证明，供应商表示GaN等宽禁带材料的失效率可以与硅相当，东科的供应商已经能证明现在的GaN功率管的失效率小于0.1，动态导阻等问题也已经得到了很好的解决，同时东科的老化车间正在全方位验证合封芯片的稳定性。

 

 

成本，永远是实验室和产业化的关键，只有成本低了，一个东西才能走出实验室实行产业化。在2020年之前，宽禁带半导体器件的价格远高于硅器件。随着市场需求的增加，大量生产，同时引入新技术，良品率提高，宽禁带半导体器件的价格迅速下降。

 

在可预见的未来，宽禁带半导体的价格会快速逼近硅器件，但不会比硅器件更便宜。宽禁带半导体的产业升级应用将带动包括磁性材料在内的其他高频元器件成本同步下降，整体方案成本，氮化镓方案将优于传统硅器件方案。东科合封氮化镓的价格，将非常具有竞争力。

 

 

东科介绍基于氮化镓的准谐振反激电源设计要点，首先要了解芯片的工作原理，尤其是轻载IPEAK峰值电流和频率的处理方式，要充分利用QR谷底导通的优势来减小开关损耗。反射电压和匝比取值有学问，要兼顾初级次级侧电压电流应力，还要充分利用谷底导通优势。

 

同时要尽量减小变压器漏感，有条件的要使用平面变压器，变压器漏感在降低效率的同时还劣化EMI。还要注意高频下的交流电趋肤效应，可以使用利兹线提高趋肤深度。使用高质量的磁芯，是提高转换效率最简单的方式。最后要注意散热设计，防止芯片热失控，在功率管下面做好过孔。

 

 

下面，一起来看东科氮化镓合封芯片的性能展示吧。

 

 

东科25W PD快充参考设计，采用东科DK051SC+DK5V60R15S，25W合封氮化镓芯片加60V15mΩ同步整流。准谐振反激加同步整流，工作频率130kHz，尺寸为24.3*25.26.5mm，功率密度为1.55W/CC，最高效率达91.31%，带壳全密封芯片温度95℃。

 

 

东科36W PD快充参考设计，采用东科DK051SD+DK5V100R10S，36W合封氮化镓芯片加100V9mΩ同步整流。准谐振反激加同步整流，工作频率130kHz，尺寸为37.9*35*21.6mm，功率密度为1.25W/CC，最高效率达93.18%，带壳全密封芯片温度101℃。

 

 

东科45W PD快充参考设计，采用东科DK051SE+DK5V100R10S，45W合封氮化镓芯片加100V9mΩ同步整流。准谐振反激加同步整流，工作频率130kHz，尺寸为42.1*39.7*21.9mm，功率密度为1.23W/CC，最高效率达93.24%，带壳全密封芯片温度104℃。

 

 

东科65W PD快充参考设计，采用东科DK051QF+DK5V100R10M，65W合封氮化镓芯片加100V10mΩ同步整流。准谐振反激加同步整流，工作频率130kHz，尺寸为66.6*29*23.8mm，功率密度为1.41W/CC，最高效率达94.31%，带壳全密封芯片温度107℃。