更优更可靠的Transphorm氮化镓产品，引领氮化镓革命
2023年3月16日，2023（春季）亚洲充电展在深圳成功举办，展会同期还举办了2023（春季）全球第三代半导体产业峰会，并邀请了15位行业大咖现场与大家探讨第三代半导体，对氮化镓、碳化硅的应用技术以及产业的未来发展进行探讨和分享。
严启南 先生 毕业于香港中文大学物理系。从事功率半导体生产、销售三十多年。专业第三代半导体应用及推广。现职Transphorm亚太区销售副总裁。
Transphorm 亚太区销售副总裁 严启南先生在本次展会上发表了《Leading the GaN Revolution》主题演讲。
Transphorm是少数拥有自主研发、生产和应用能力的生产厂家，凭借完整的制造控制+GaN技术领先两大优势，Transphorm可为客户提供充足且优质的氮化镓产品。此外还可为客户提供各种产品设计应用方案。
与其它氮化镓公司最大的不同是，Transphorm也提供氮化镓晶圆，包括一些世界知名工厂在内的很多做氮化镓工厂，都有在和Transphorm购买氮化镓晶圆。从硅开始的原材料到封装等在内的全部工序都能自己做，同时也会帮客户提供一整套解决方案。Transphorm目前拥有约1400项关于氮化镓生产的相关专利。
Transphorm的生产工厂坐落在日本，不管是生产氮化镓的MOCVD工艺，还是外延片都已经通过了车规级品质体系认证。
Transphorm会根据客户需要消费类电子产品器件或车规级器件，采用不同标准来做器件，但所有的器件都是从相同的生产线生产出来，自然水准都非常可靠。
Transphorm此前一直专注于充电桩、服务器电源、车载OBC等几千瓦到十几千瓦大功率应用领域，但近几年随着低功率快充市场的火爆，对氮化镓产品需要量非常高，因此Transphorm也积极研发了一系列快充应用示范以满足市场需求。
Transphorm的氮化镓产品特点是驱动非常简单，不管是需求0.5A或1A驱动电流，Transphorm的产品都能完全满足。严启南 先生强调，采用Transphorm的产品，建议采用小电流直接驱动，无需图腾柱放大，也无需负电压关断，适合搭配高性价比、驱动电路简单的方案进行设计。
Transphorm的氮化镓器件可搭配英飞凌、安森美、TI、MPS等厂商的控制器，客户基于Transphorm的氮化镓器件，可以根据供货稳定、价格等自由选择，自由度高。
关于E-mode氮化镓器件，嘉宾强调目前其最难解决的问题是动态电阻，工作时的电阻浮动非常大，往往会提升至3倍左右，相比之下D-mode氮化镓器件没有这样的问题。根据Transphorm的可靠性数据统计，其一款240mΩ的器件，不管是工作与否，测得的电阻都是240mΩ，即便有温度的影响浮动最高也只有1.7倍，来到相同硅或碳化硅器件的水准，仍然在可接受范围内。
另外一个关键点是，D-mode氮化镓器件的高温反压HTRB，不会因为温度升高而降低，换句话说就是温度往上走，但是漏电电流不会变大。
例如Transphorm一款650V的氮化镓器件，175℃测得的高温反压可以到1000V，漏电还在范围之内，而在150℃测得的高温反压可以到1050V，25℃的高温反压完全可以做到1200V。
在QR反激电路中，这一特点非常重要。但是E-mode氮化镓器件在高温情况下，高温反压掉的非常快，进而会影响到效率，目前这一问题亦无法很好解决。
采用Transphorm的氮化镓产品，相较E-mode氮化镓器件，其好处在于驱动简单、成本低、可靠性很高，此外还能在相对更高温度下工作。
Transphorm的氮化镓产品提供PQFN5x6、PQFN8x8封装，以及pin-to-pin原位替代市面上一些硅MOS等，导阻从480mΩ-70mΩ，可应用设计30-100W的快充产品。
如今很多的E-mode氮化镓器件可靠性测试都是在125℃环境下进行，无法在150℃或更高要求的车规175℃下进行。而Transphorm的氮化镓器件全部是在150℃环境下测试，销售出去的器件运行时间总和超过几十亿小时，而统计应用失效率接近零。
Transphorm推出的氮化镓产品均符合JESD 47（商用）或AEC-Q101（汽车）标准，所有器件可靠性测试均在150℃环境温度或更高要求的车规175℃下进行，产品可靠性一流，值得信赖。
Transphorm还会对产品做一个长期的开关有效性寿命测试，如今已经跑了8000h，仍在正常工作。
接着严启南 先生展示了Transphorm目前拥有的一些现成的方案，功率覆盖30W-600W，其中有些是专门为像高通、惠普等这样的大品牌设计，目前已经有很多客户在量产。
基于Transphorm氮化镓器件设计的65W单口快充方案，采用的是TP65H300G4LSG，650V耐压，导阻240mΩ，PQFN8X8封装。PCBA模块功率密度25W/In³，90V/115V/230V/265V下的满载效率分别为93.04%/94.04%/93.85%/93.46%。
得益于Transphorm氮化镓器件，整个PCBA模块的器件总数量只有67个，总成本低于4美元，几乎和采用MOS管方案持平，可以说非常有竞争力。
Transphorm 240mΩ氮化镓器件和175mΩ E-mode GaN效率对比，从表格可见输入电压115V情况下，Transphorm氮化镓器件效率全程保持优势；输入电压264V时，输出功率在5-50W区间内，Transphorm的效率要高出0.13%到2.1%。
和Si方案设计的65W快充相比，高功率输出下Transphorm的氮化镓器件效率更高，而且很明显，而功率损耗则更低，同样非常有优势。
基于Diodes方案和Transphorm氮化镓器件设计的140W快充方案，PCBA模块尺寸为55*87*29mm，PFC升压开关管采用Transphorm一颗150mΩ氮化镓器件，LLC半桥采用Transphorm两颗300mΩ氮化镓器件。
相较苹果原装快充方案，Transphorm这个的设计成本仅是前者的一半，同时做得也更小。
方案的效率测试数据如上图表格，在90VAC输入下，满载输出的效率为93.17%，表现也很好。
基于Transphorm氮化镓器件设计的140W双USB-C口方案，同样基于PFC+LLC架构设计，采用Transphorm一颗150mΩ氮化镓器件和两颗300mΩ氮化镓器件。PCBA模块尺寸90*59*24mm，功率密度18W/In³，满载效率超过91.77%。
基于Transphorm氮化镓器件设计的250W电源方案，其PFC仅需使用一颗Transphorm的氮化镓器件即可，而且工作频率达133kHz，相较E-mode氮化镓器件需要采用两颗，成本更低，PCBA模块也更小，此外效率还高出约0.6个百分点。
Transphorm 250W氮化镓电源方案基于PFC+LLC电源架构设计，采用安森美NCP1645+NCP1399控制器方案，分别搭配的PFC氮化镓开关管采用Transphorm TP65H150G4PS，导阻150mΩ，T0-220封装，工作频率133kHz；LLC半桥采用Transphorm TP65H150G4LSG，导阻也是150mΩ，PQFN8x8封装，工作频率170-180kHz。
方案支持90-265V宽电压输入以及24V输出，最大功率250W，230V交流输入时，系统峰值效率超过96%。PCBA模块尺寸110*60*25mm，功率密度高达24.8W/In³。此外支持OCP、OVP、SCP、OTP、Brown-out等保护功能。
和Si MOS管设计的方案相比，可能成本会高一点点，但是体积会做得小得多，功率密度高了近一倍，此外效率表现也都更好。
接着嘉宾以目前市面上一款雷蛇280W电源适配器为例，展示了一些替换Transphorm氮化镓器件后的对比数据。
雷蛇280W电源适配器原本使用的是友商一款50mΩ的氮化镓器件，进行替换的氮化镓器件是Transphorm的TP65H070G4LSGB，导阻70mΩ，PQFN8x8封装。
替换方法是将两颗友商的氮化镓器件替换成Transphorm的氮化镓器件，其余无改动也无优化。
从Transphorm的实验室获得的测试数据显示，采用Transphorm氮化镓器件之后的空载功耗要好一点。
其次在替换成Transphorm氮化镓器件后没有进行任何优化的前提下，测得的EMI表现也是更好一点，这便是D-mode氮化镓相较E-mode氮化镓器件的优势所在，不会牺牲EMl性能来实现效率增益。
温升方面，虽然采用的Transphorm氮化镓器件导阻70mΩ，表面上看数值更高，但是对比替换前后115VAC输入情况下温度表现，可以发现采用Transphorm氮化镓器件后测得的温度低了约30℃，这便是前面提到的E-mode氮化镓器件动态电阻问题造成的。
总而言之，相比E-mode氮化镓器件，同场景下采用Transphorm D-mode氮化镓器件，可以跑更高功率应用，可靠性、温升表现等也更优，此外成本更低。
基于Transphorm两颗150mΩ氮化镓器件设计的330W图腾柱方案，采用CCM工作模式，相比友商DCM工作模式的330W图腾柱方案，其平均电流要低一半。采用两颗150mΩ氮化镓器件相比70mΩ的除了成本优势外，其开关损耗也更低，虽然导通功耗要差一点。
上述方案实际测试表现如图，90VAC输入情况下，测得峰值效率超过95%。
264VAC输入情况下，测得峰值效率约高达96.9%。如此的效率表现，可见基于Transphorm氮化镓器件设计的方案能够满足客户的任何苛刻要求，如IEC62368标准低于77℃温度要求，40℃环境温度下温升表现45℃要求等。
以上便是嘉宾演讲全部内容，如需了解更多信息，欢迎联系Transphorm洽谈。
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「展会预告」 2023（秋季）亚洲充电展
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