氮化鎵廣泛應(yīng)用于LED照明，并在無(wú)線應(yīng)用中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。隨著工藝的進(jìn)步和缺陷率的不斷降低，氮化鎵在交直流電力轉(zhuǎn)換、改變電壓電平，并且以一定數(shù)量的函數(shù)確?？煽侩娏?yīng)的電子電源中的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯?；诘壍拈_(kāi)關(guān)功率晶體管可實(shí)現(xiàn)全新電源應(yīng)用，與之前使用的硅材料晶體管相比，在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，性能更高，損耗更低。

 

近日，由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)（公號(hào)）、博聞創(chuàng)意會(huì)展（深圳）有限公司共同主辦的“2021第三代半導(dǎo)體技術(shù)及充電產(chǎn)業(yè)合作論壇”在“ELEXCON深圳國(guó)際電子展暨嵌入式系統(tǒng)展”同期舉行。論壇特別邀請(qǐng)第三代半導(dǎo)體相關(guān)專家、快充產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)專家及企業(yè)代表，探討第三代半導(dǎo)體技術(shù)及充電產(chǎn)業(yè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

南京芯干線科技有限公司數(shù)字電源應(yīng)用總監(jiān)周陽(yáng)做了題為“氮化鎵功率器件及在數(shù)字電源中的應(yīng)用”的主題報(bào)告。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降，氮化鎵將在中小功率應(yīng)用里面逐步取代硅MOSFET（尤其是超結(jié)MOSFET)，2025年氮化鎵充電器總額將超過(guò)82億元，滲透率將超過(guò)60%。結(jié)合65W超小型適配器發(fā)展史、氮化鎵超小型65W適配器方案、芯干線 65W 準(zhǔn)諧振（QR）PD適配器等內(nèi)容分享了最新趨勢(shì)。

 

 從大類來(lái)看，氮化鎵的應(yīng)用可以分為消費(fèi)類，工業(yè)類及汽車類。就消費(fèi)類而言，目前氮化鎵超過(guò)一大半的應(yīng)用都在快充適配器領(lǐng)域。這是因?yàn)榭斐溥m配器要求便攜性，氮化鎵正好解決了這個(gè)痛點(diǎn)。就工業(yè)類而言，氮化鎵將在兩千瓦以下的應(yīng)用中，廣泛取代傳統(tǒng)的650V硅MOS管。這其中比較讓人垂涎的是服務(wù)器電源。因?yàn)榉?wù)器電源有海量的市場(chǎng)而且又有效率、散熱和體積方面的痛點(diǎn)。類似目前的快充領(lǐng)域，伴隨大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，未來(lái)氮化鎵將逐步替代硅MOS管，在服務(wù)器電源領(lǐng)域占據(jù)較大的市場(chǎng)份額。

 

隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降，氮化鎵將在中小功率應(yīng)用里面逐步取代硅MOSFET（尤其是超結(jié)MOSFET)，2025年氮化鎵充電器總額將超過(guò)82億元，滲透率將超過(guò)60%。超結(jié)MOS管在幾年前大約有9億美元的市場(chǎng)。目前可能有十幾億美元。因?yàn)榈壥菍?duì)標(biāo)超結(jié)MOS管，超結(jié)MOS管的市場(chǎng)規(guī)模一定程度上可以預(yù)測(cè)氮化鎵的市場(chǎng)規(guī)模。右邊這張圖所展現(xiàn)的是氮化鎵功率器件和超結(jié)MOS管的價(jià)格比較。對(duì)那些通態(tài)電阻大于75毫歐的器件而言，氮化鎵的器件成本非常接近超結(jié)MOS管。然而通態(tài)電阻較小的器件，例如50毫歐及以下，氮化鎵價(jià)格相比超結(jié)硅MOS管就沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)了。

 

近5年來(lái)有代表性的65W超小型適配器比較來(lái)看。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有普通反激，準(zhǔn)諧振反激，有源鉗位反激，甚至三電平LLC。主開(kāi)關(guān)管也涵蓋了超結(jié)硅MOS管，氮化鎵甚至碳化硅MOS管。功率密度從11到接近20瓦每立方英寸。價(jià)格分布也從20多美元一直到100美元以上。雖然氮化鎵功率器件的價(jià)格仍然高于硅超結(jié)MOS管，但從PD適配器的價(jià)格/成本而言，并非比硅更貴。相反，做的特別小巧的硅基PD適配器成本最高，價(jià)格也最為昂貴。

 

三種65W氮化鎵適配器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較來(lái)看。其中QR，也就是準(zhǔn)諧振反激最為常見(jiàn)。QR的好處在于只需要一顆開(kāi)關(guān)管，電路調(diào)試也相對(duì)容易。但體積沒(méi)辦法做到最小，一般主開(kāi)關(guān)頻率也低于300KHz。第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是ACF，也就是有源鉗位反激。這種拓?fù)湫枰獌深w開(kāi)關(guān)管，工作頻率可達(dá)400KHz。體積可以做的更小，功率密度可以做的很高。參考小米的65瓦適配器，功率密度接近20瓦每立方英寸。第三種比較特別，LLC一般會(huì)用在相對(duì)功率高一些的場(chǎng)合，特別是前級(jí)有功率因數(shù)校正（PFC）的情況下。如果在需要讓LLC工作在寬電壓范圍輸入，可以考慮在前級(jí)使用倍壓電路。這種拓?fù)浜虯CF一樣，也需要兩顆開(kāi)關(guān)管，但同時(shí)它的控制器需要使用數(shù)字控制方式，在ACF的基礎(chǔ)上又增加了一些控制器的成本。然而LLC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以適用于很高的開(kāi)關(guān)頻率，可以把適配器的體積做的非常小。我們?cè)?jīng)評(píng)估過(guò)1.5MHz的工作頻率，65W的適配器可以做到僅比蘋果傳統(tǒng)的5瓦充電器大一些的體積，功率密度也可以達(dá)到26。

 

周陽(yáng)表示，芯干線的130瓦氮化鎵PD快充適配器方案使用的是PFC＋LLC的架構(gòu)。其中PFC的控制器是TI的UCC28056，PFC主開(kāi)關(guān)管是一顆芯干線xGaN系列XG6508B8氮化鎵器件及芯干線xSiC系列XD6504D碳化硅肖特基二極管。LLC級(jí)所用的主開(kāi)關(guān)管同樣是兩顆芯干線xGaN系列氮化鎵功率器件。目前芯干線的130瓦氮化鎵PD適配器已經(jīng)通過(guò)了包括EMI傳導(dǎo)，輻射在內(nèi)的一系列安規(guī)測(cè)試，效率高達(dá)95%以上，可以支持客戶量產(chǎn)。

 

 

周陽(yáng)精通數(shù)字電源控制；精通PFC數(shù)字電源控制，精通逆變器控制；精通LLC控制。