不走寻常路，英嘉通开启氮化镓功率应用新篇章

前言

8月17日，由充电头网主办的2022（夏季）全球第三代半导体产业峰会在深圳福田会展中心成功举办。本次展会汇集了30多家第三代半导体厂商参展，并邀请了第三代半导体行业人士对行业动态进行介绍以及技术分享。

本次峰会邀请到了英嘉通半导体的功率应用总监刘中涛先生到峰会上进行演讲。

刘中涛先生毕业于苏州大学电气工程及自动化专业，拥有13年开关电源设计以及应用相关经验，曾就职于日本胜美达和苏州博百电气，负责设计不同功率和拓扑的开关电源产品，并从设计转到量产；曾先后就职于电源管理芯片生产商美芯晟，昂宝，担任芯片应用工程师，有丰富的中低功率控制器应用经验。

本次峰会中，刘中涛先生的演讲主题是《开启氮化镓功率应用新篇章》，主要从氮化镓材料的优势、氮化镓器件的优势、氮化镓的局限性、英嘉通的产品等几个方面展开介绍。

开启氮化镓功率应用新篇章

演讲开篇刘中涛先生介绍，英嘉通半导体有限公司成立于2019年2月，位于深圳南山区科技园和苏州相城区高铁新城，在功率半导体领域深耕多年，具有坚实的芯片设计能力及丰富的半导体产品销售经验。

随后他介绍了氮化镓功率器件的技术路线，一个是增强型，一个是耗尽型，如纳微、英诺赛科、英飞凌主要做增强型的氮化镓，TI、镓未来、安世半导体走的是耗尽型路线。

刘中涛先生表示，主流的增强型氮化镓的器件同行已经做得很好，但增强型的氮化镓还存在一些问题。

比如，在材料供应上，p型氮化镓的生长和刻蚀是E-mode技术的难点，尤其是刻蚀去除栅极区域以外部分的p型氮化镓，该过程会带来刻蚀损伤，导致晶体管界面特性变差，这会产生两个问题：一是产生电流崩塌效应，高压下导通电阻变大；二是栅极比较脆弱，存在可靠性问题，通过HTGB 测试较为困难。在高压时间长的情况下，器件会变得脆弱，效率会变差。

除了材料上的问题之外，刘中涛先生介绍中称还有应用可靠性问题。

p型栅极的本身物理特性，VTH低，一般在0.7~1.5V以内，且最大栅极耐压低。在65W以内的产品主要为硬开关，会有过多的高频振荡，使得氮化镓器件失效，因此需要专用的控制器或是负压驱动。

第二个问题是，栅极最大耐压很低，Si MOS +/-20V，pGaN +7V，需要额外的栅极保护，应用难度高，大批量生产应用可靠性差。

D-mode技术方案上，采用可靠的低压(30 V) 硅MOSFET与D-modeGaN FET的共源共栅配置，组成Cascode结构，实现常闭开关，消除E-mode器件脆弱的栅极结构引起的担忧，并大幅简化使用方法。

但是，刘中涛先生指出，传统的D-mode多采用硅基氮化镓，在处理级联结构中间两个器件（硅和耗尽型氮化镓）匹配、封装的问题上，存在难度，导致成本偏高。

与增强型相比,耗尽型氮化镓仍有较为明显的优势优势，一是因氮化镓材料本征为D-mode，外延简单，成熟，稳定，生长速度快，成本低；MOCVD原位生长，界面态控制好，动态电阻问题得到有效解。

在Cascode GaN在应用方面的优势上，大部分快关电源控制器为12V驱动，D-mode/CASCODE可直接兼容12V /5V 电源芯片，不需要专门电源控制器。

此外，CASCODE栅极耐压范围大(±20V)，栅极驱动余量大，可靠性好，无需栅极钳位电路，且不需要负压关断；由于栅极可靠性好，可以采用散热更好的TO封装形式，在高功率应用有很大优势。

氮化镓在硬开关中的优势上，在材料本身和器件上具有优势，一是Qg(主要是米勒电容比较小、可降低开关交越损耗；二是Coss较低，可降低结电容充放电损耗。

氮化镓在硬开关中的优势上，一是拥有较低的Coss较低，可以较小死区时间，提高效率；二是拥有较低的Qrr，可以降低方向恢复损耗。

尽管氮化镓在材料和器件上具有明显的优势，到2026年氮化镓功率器件市场超过10亿美元，但刘中涛先生指出，现阶段的氮化镓的高增长率却仅为硅MOS 市场的1/9，市场渗透率低，且存在一定的局限性。

氮化镓的局限性除了价格之外，现在的工艺技术还不成熟，氮化镓的的阈值电压和驱动电压不能兼容传统硅MOS控制器。

此外，大部分氮化镓器件都是贴片型，散热措施处理起来比较繁琐，无法适应大规模生产作业，尤其是大功率电源产品。比如在快充电头上，需要贴导热垫片、金属片以及进行手工焊接，在大规模生产上不太适合。

针对以上提到的市场渗透率低的问题，刘中涛先生称，英嘉通推出以蓝宝石基氮化镓为基础的650V级联器件，包括TO系列，DFN系列， 覆盖12W-500W功率范围。

其中TO系列业内首创，pin-to-pin完全兼容，原位替代，和传统氮化镓企业差异化竞争， 直接渗透到传统硅MOS市场， 用户导入风险也比较小。

相比硅器件，在品质因数 RON,SP*A 决定器件的功率密度及综合成本上，GaN器件相比于Si MOS高出5倍以上。刘中涛先生打了个比方，在一个单位晶圆上的价格会比较贵，但产出量却高出很多，可以降低成本。

INGACOM 第二代D-mode将赶超行业工艺领先水平，进一步提升器件性价比和市场竞争力。

此外，在品质因数 RON * QG 同时涵盖了导通损耗及开关损耗上，GaN器件相比于Si MOS高出10倍以上。

在市场上应用上，英嘉通的市场方向是希望使氮化镓能更多地渗透到巨量的传统开关电源中，相比贴片封装器件，TO220F封装好处显而易见，无需手工焊接散热片、生产成本低廉、封装通用。

在击穿电压为600V的产品上，英嘉通提供240毫欧到1400毫欧的产品。

采用TO252 封装低功率的产品，Vth典型值3.5V，高可靠性，使用更稳定。

采用TO220F封装中低功率产品，Vth典型值3.5V，高可靠性，使用更稳定；兼容12V驱动，更易搭配。

在30W PD 充电器上，直接替换硅MOS对比测试，氮化镓相比硅而言开关损耗更低、震荡更少，电压越高，效率越明显。

英嘉通针对PD快充市场也有全面的布局，主要是DFN8*8和DFN5*6，均已批量出货。

在可靠性标准测试上，同样表现优异。

在已经量产的33W PD快充方案上，搭载了IGC6041，采用DFN5X6封装，外形42*31*31ＭＭ体积小巧。

65W的PD快充方案上，搭载IGC6022，整机带壳外形59*35*30ｍｍ，体型小巧，便于携带。以上两款PD产品已批量生产。

和同规格竞品E-mode效率对比来看，用户在温升和效率上看不出明显差异。

120W PD快充的方案布局上，采用公模外壳，外壳尺寸75*75*27ｍｍ，体积小巧。

未来，英嘉通将推出更高功率的产品，如在电动车上的使用。

充电头网总结

当整个行业在谈及氮化镓的时候，氮化镓的优势相比硅确实显而易见，然后英嘉通的刘中涛先生在演讲中除了介绍了氮化镓的材料优势、器件优势外，还指出了氮化镓相对的局限性，尤其是在应用市场上的未来大有可为，并介绍了渗透应用市场下英嘉通的行动及其产品特性，为客户带来更加性价比的方案。

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