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CASICON NEWS

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氮化鎵廣泛應用於LED照明，並在無線應用中發揮越來越重要的作用。隨著工藝的進步和缺陷率的不斷降低，氮化鎵在交直流電力轉換、改變電壓電平，並且以一定數量的函式確保可靠電力供應的電子電源中的優勢越來越明顯。基於氮化鎵的開關功率電晶體可實現全新電源應用，與之前使用的矽材料電晶體相比，在高壓下運轉時，效能更高，損耗更低。

近日，由半導體產業網、第三代半導體產業（公號）、博聞創意會展（深圳）有限公司共同主辦的“2021新一代充電技術及產業鏈創新合作論壇”在“ELEXCON深圳國際電子展暨嵌入式系統展”同期舉行。論壇特別邀請第三代半導體相關專家、快充產業鏈相關專家及企業代表，探討第三代半導體技術及充電產業機遇與挑戰。

南京芯幹線科技有限公司數字電源應用總監 周陽

南京芯幹線科技有限公司數字電源應用總監周陽做了題為“氮化鎵功率器件及在數字電源中的應用”的主題報告。隨著技術的進步和成本的下降，氮化鎵將在中小功率應用裡面逐步取代矽MOSFET（尤其是超結MOSFET），2025年氮化鎵充電器總額將超過82億元，滲透率將超過60%。結合65W超小型介面卡發展史、氮化鎵超小型65W介面卡方案、芯幹線 65W 準諧振（QR）PD介面卡等內容分享了最新趨勢。

從大類來看，氮化鎵的應用可以分為消費類，工業類及汽車類。就消費類而言，目前氮化鎵超過一大半的應用都在快充介面卡領域。這是因為快充介面卡要求便攜性，氮化鎵正好解決了這個痛點。就工業類而言，氮化鎵將在兩千瓦以下的應用中，廣泛取代傳統的650V矽MOS管。這其中比較讓人垂涎的是伺服器電源。因為伺服器電源有海量的市場而且又有效率、散熱和體積方面的痛點。類似目前的快充領域，伴隨大資料時代的到來，未來氮化鎵將逐步替代矽MOS管，在伺服器電源領域佔據較大的市場份額。

隨著技術的進步和成本的下降，氮化鎵將在中小功率應用裡面逐步取代矽MOSFET（尤其是超結MOSFET），2025年氮化鎵充電器總額將超過82億元，滲透率將超過60%。超結MOS管在幾年前大約有9億美元的市場。目前可能有十幾億美元。因為氮化鎵是對標超結MOS管，超結MOS管的市場規模一定程度上可以預測氮化鎵的市場規模。右邊這張圖所展現的是氮化鎵功率器件和超結MOS管的價格比較。對那些通態電阻大於75毫歐的器件而言，氮化鎵的器件成本非常接近超結MOS管。然而通態電阻較小的器件，例如50毫歐及以下，氮化鎵價格相比超結矽MOS管就沒有什麼優勢了。

近5年來有代表性的65W超小型介面卡比較來看。拓撲結構有普通反激，準諧振反激，有源鉗位反激，甚至三電平LLC。主開關管也涵蓋了超結矽MOS管，氮化鎵甚至碳化矽MOS管。功率密度從11到接近20瓦每立方英寸。價格分佈也從20多美元一直到100美元以上。雖然氮化鎵功率器件的價格仍然高於矽超結MOS管，但從PD介面卡的價格/成本而言，並非比矽更貴。相反，做的特別小巧的矽基PD介面卡成本最高，價格也最為昂貴。

三種65W氮化鎵介面卡拓撲結構比較來看。其中QR，也就是準諧振反激最為常見。QR的好處在於只需要一顆開關管，電路除錯也相對容易。但體積沒辦法做到最小，一般主開關頻率也低於300KHz。

第二種拓撲結構是ACF，也就是有源鉗位反激。這種拓撲需要兩顆開關管，工作頻率可達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瓦介面卡，功率密度接近20瓦每立方英寸。

第三種比較特別，LLC一般會用在相對功率高一些的場合，特別是前級有功率因數校正（PFC）的情況下。如果在需要讓LLC工作在寬電壓範圍輸入，可以考慮在前級使用倍壓電路。這種拓撲和ACF一樣，也需要兩顆開關管，但同時它的控制器需要使用數字控制方式，在ACF的基礎上又增加了一些控制器的成本。然而LLC的拓撲結構可以適用於很高的開關頻率，可以把介面卡的體積做的非常小。我們曾經評估過1。5MHz的工作頻率，65W的介面卡可以做到僅比蘋果傳統的5瓦充電器大一些的體積，功率密度也可以達到26。

報告還介紹了芯幹線的65瓦介面卡方案使用的是QR方案，130W 、180W 、200W GaN介面卡解決方案（PFC+LLC）及1KW數字控制雙向儲能電源模組。周陽表示，芯幹線的130瓦氮化鎵PD快充介面卡方案使用的是PFC＋LLC的架構。其中PFC的控制器是TI的UCC28056，PFC主開關管是一顆芯幹線xGaN系列XG6508B8氮化鎵器件及芯幹線xSiC系列XD6504D碳化矽肖特基二極體。LLC級所用的主開關管同樣是兩顆芯幹線xGaN系列氮化鎵功率器件。目前芯幹線的130瓦氮化鎵PD介面卡已經通過了包括EMI傳導，輻射在內的一系列安規測試，效率高達95%以上，可以支援客戶量產。

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