電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李誠）自Type-C 2.1與PD 3.1新的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議發(fā)布之后，氮化鎵再次被推上風(fēng)口。氮化鎵以低損耗、高效率、高功率密度的自身優(yōu)勢，迅速占領(lǐng)快充市場。隨著硅基氮化鎵成本的下降，氮化鎵材料或?qū)l(fā)展成為快充行業(yè)的主流。國產(chǎn)內(nèi)的氮化鎵廠商也陸續(xù)推出了多款氮化鎵產(chǎn)品，并在芯片的功率、驅(qū)動(dòng)、封裝方面均有不小的突破。

封裝工藝升級、雙面散熱的650V GaN FET

據(jù)介紹，氮矽科技現(xiàn)已發(fā)布多款基于氮化鎵的產(chǎn)品，同時(shí)還推出了多個(gè)可直接量產(chǎn)的氮化鎵快充解決方案。

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據(jù)氮矽科技銷售總監(jiān)伍陸軍介紹，氮矽科技目前已推出一款面積超小的650V氮化鎵功率器件DX6510D。該器件的封裝規(guī)格為PDDFN 4*4mm，面積僅為16mm2，與DFN5*6封裝的產(chǎn)品相比面積減少了一半，進(jìn)一步減小了充電器的體積，同時(shí)還對芯片的封裝工藝進(jìn)行了升級。

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在通常情況下芯片面積減小，芯片的散熱性能也會(huì)減弱。氮矽科技為解決DX6510D的散熱問題，這枚芯片采用了Chip Face Down封裝工藝，和RDL取代傳統(tǒng)打線工藝，以及雙面散熱的設(shè)計(jì)，提高芯片的散熱能力，降低熱量對系統(tǒng)效率的影響，保證系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性。

Chip Face Down封裝工藝是為了讓電流溝道更接近PCB板面，加速芯片底部散熱，并通過RDL工藝重布線的方式加快芯片內(nèi)部散熱。RDL工藝的應(yīng)用還大幅降低了芯片的寄生電感和電阻等寄生參數(shù)，減小寄生參數(shù)對于氮化鎵來說是非常重要的。因?yàn)榈墫艠O的閾值很低，對工作電壓的精度要求很高，如果寄生電感或寄生電阻太大，會(huì)導(dǎo)致氮化鎵MOS管存在誤開啟、關(guān)斷的現(xiàn)象，甚至是在正常工作中出現(xiàn)跳壓，隨著時(shí)間的累積，電壓慢慢提高，這不僅會(huì)嚴(yán)重影響氮化鎵MOS管的使用壽命，還可能會(huì)因電壓升高而導(dǎo)致氮化鎵MOS管炸斷。

同時(shí)為提高小面積芯片的散熱能力，氮矽科技還在芯片的頂部添置了散熱模塊，增大了散熱面積，氮化鎵MOS管內(nèi)部的熱量可由頂部的散熱模塊進(jìn)行釋放。與傳統(tǒng)增大PCB增大敷銅面積的方式相比，氮矽科技通過自研板級封裝與雙面散熱結(jié)合的方式的散熱效果更好。

圖源：氮矽科技

上圖為氮矽科技采用雙面散熱的PDDF4*4封裝芯片與TO252傳統(tǒng)封裝芯片進(jìn)行的溫升實(shí)驗(yàn)，通過上圖可看出兩者的溫度變化差距不大，但從面積上來看，PDDF4*4封裝芯片的面積僅為TO252封裝的1/4。據(jù)氮矽科技介紹，即使芯片的面積減小了3/4，DX6510D的功率因數(shù)與系統(tǒng)效率也不會(huì)因此受到影響。

合封驅(qū)動(dòng)的氮化鎵芯片

氮化鎵之所以在電源領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)榈壍拈_關(guān)頻率更高，與硅基產(chǎn)品相比，在同等輸出功率下，基于氮化鎵的電路更為精簡、元器件使用數(shù)量更少、設(shè)備體積更小，功率密度更高。

合封氮化鎵芯片是通過內(nèi)部走線的方式，將氮化鎵功率芯片與驅(qū)動(dòng)器、控制器或其它控制芯片連接起來，在很大程度上縮短了導(dǎo)線的長度，大大地降低了寄生參數(shù)的值，尤其是寄生電感。寄生電感對氮化鎵功率芯片的影響很大，當(dāng)?shù)壒β市酒ぷ髟诟哳l狀態(tài)下時(shí)，會(huì)增加系統(tǒng)的開關(guān)損耗、提高幅值、降低系統(tǒng)效率，同時(shí)還會(huì)增加開發(fā)工程師的調(diào)試難度。通過將多種控制器、驅(qū)動(dòng)器合封起來的方式恰好能解決這一問題，因此將氮化鎵驅(qū)動(dòng)合封在功率器件中具有重大意義，并且已成為電源領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。

據(jù)官網(wǎng)顯示，東科半導(dǎo)體目前已將開發(fā)出多款合封氮化鎵驅(qū)動(dòng)器、邏輯控制器的氮化鎵合封芯片，這些芯片多采用QR的電源架構(gòu)，工作頻率均在200kHz左右。據(jù)介紹，現(xiàn)階段有一款65W采用有源鉗位反激式電源架構(gòu)的合封芯片目前已進(jìn)入調(diào)試階段，該芯片的最高工作頻率達(dá)500kHz，應(yīng)用于電源系統(tǒng)中能夠明顯的降低開關(guān)損耗并提高系統(tǒng)效率。

DK051QF是東科半導(dǎo)體的一款合封氮化鎵芯片，該芯片采用的是QR的電源架構(gòu) ，設(shè)計(jì)輸出功率為65W，工作最高頻率可達(dá)200kHz，芯片合封了邏輯控制器，驅(qū)動(dòng)器和高壓啟動(dòng)管。在電路調(diào)試方面，由于該芯片采用的是多種控制器合封的方式，寄生參數(shù)影響較少。同時(shí)還采用了較為簡單的QR電路拓?fù)?，減少了元器件的使用數(shù)量，并將系統(tǒng)電路簡化到了最低，大幅的降低了系統(tǒng)的調(diào)試難度，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

SC3050 Demo 圖源：南芯半導(dǎo)體

同時(shí)，南芯半導(dǎo)體也推出合封了氮化鎵驅(qū)動(dòng)與控制器的氮化鎵功率芯片SC3050。這款芯片采用了獨(dú)特的EPAD設(shè)計(jì)，優(yōu)化了在大電流工作狀態(tài)下的電氣特性，并得到了很好的熱體驗(yàn)。通過合封的方式，將控制器與氮化鎵功率器件結(jié)合，充分地發(fā)揮了低寄生參數(shù)下，氮化鎵低開關(guān)損耗、高功率密度的性能。

不同工作狀態(tài)下的效率變化曲線 圖源：南芯半導(dǎo)體

上圖為SC3050在滿載情況下不同的工作狀態(tài)的變化曲線。該芯片在QR模式下，開關(guān)頻率為170kHz。當(dāng)工作電壓在100V~220V時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率都能穩(wěn)定在93%以上。當(dāng)系統(tǒng)處于空載狀態(tài)或輕載狀態(tài)時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)切換到突發(fā)模式，以降低系統(tǒng)功耗。據(jù)南芯半導(dǎo)體介紹，該方案現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于高能效、小體積的快充解決方案中。

結(jié)語

隨著制造工藝的升級，目前市場上的氮化鎵產(chǎn)品現(xiàn)已向著小型化、高度集成化發(fā)展。氮矽科技的雙面散熱技術(shù)在產(chǎn)品面積縮小的情況下，還保證了產(chǎn)品的工作性能，與相同面積的芯片相比，工作溫度更低，該技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)推動(dòng)快充充電器向更高功率密度方向的發(fā)展。