2021年是氮化鎵技術大規模商用的一年，也是合封氮化鎵芯片快速發展的一年。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，實現電源行業的產業升級。

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，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，節能的同時保護環境。

第三代半導體帶來產業技術升級，其中氮化鎵器件的優點是E-GaN沒有反向恢復損耗，具有極佳的動態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）發展，再到新制造工藝開發，開發新的算法，新型的設計，到新型的封裝和加工工藝，拉動整個產業鏈同步發展。

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，功率環路的寄生電感會導致在開關節點產生電壓過沖，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定性。

成本，永遠是實驗室和產業化的關鍵，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，氮化鎵方案將優于傳統硅器件方案。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℃。