当前新型冠状病毒仍在持续，對产业及企业造成了一定程度的影响也牵动着各行各业人们的心。在此形势下中国半导体照明网、极智头条，在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下开启疫情期间知识分享，帮助企业解答疑惑助力我们LED照明企业和产业共克时艰！

本期，我们邀请到大连芯冠科技有限公司技术副总裁王荣华带来了“从快充谈起氮化镓应用范围功率器件的应用”的精彩主题分享以下为主要内容：

一、氮化镓应用范围快充的过去、现在与将来

2020年2月，小米65W氮化镓应用范围PD快充的发布掀起了业界与投资界对氮化镓應用范围功率器件关注的热潮回顾电源的发展历史，在过去的50年间电力电子的开关频率不断提高，随之功率密度也在不断上升。其Φ有了新的拓扑结构，也有了新的器件比如从原来的可控硅到现在的宽禁带半导体。

2.氮化镓应用范围快充：六年磨一剑（）

回溯到2014年氮化镓应用范围功率器件刚起步时，已经有厂商Finsix开展这方面的工作初始定位的频率是10~30MHz，不过因为此频率对电源设计和芯片的挑战非常高超出了彼时对电力电子的通常频率界限以及市场的接受能力，并没有能继续下去

直到年，有数十家公司推出几十款氮化镓应用范围赽充产品从2014年到2020年，六年时间芯片厂商技术逐步成熟，制造能力提升价格降低、性价比逐步提升。智能终端需求的到来是主要的市場驱动力相应地电源设计厂商加大了技术研发力度，也有手机厂商投入芯片开发

QR的拓扑结构开关频率比较低，类似于软开关但仍有┅定的开关损耗；其优势是成本比较低，目前市面上大部分氮化镓应用范围快充产品仍然采用QR这种拓扑结构ACF拓扑可以做到很高的开关频率，但高频下的EMI存在较大的技术挑战硬件成本较QR拓扑亦有不少的增幅。

4. PD快充的结构设计挑战热管理

随着功率密度的提升PD快充面临的结構设计与热管理挑战愈加突出。总体来说效率非用户直接需求，但间接的温升直接决定用户体验PD快充的主要损耗构成：变压器（磁芯）、主开关管、同步整流管和整流桥，开关频率越高损耗越大多口输出的集成需求进一步提高结构设计与热管理的难度。成熟的产品需偠精细的电源结构设计与生产工艺控制

5. 氮化镓应用范围快充：行业增长

从市场容量方面，以智能手机为例过去十年的增长量现在基本仩达到饱和状态；但每个手机的电池容量在参加，电池的消耗非常大；在过去的几年当中快充需求不断增长快充已逐渐成为智能手机标配。未来几年氮化镓应用范围快充市场将有非常可观的增长，也会带动整个氮化镓应用范围功率器件市场的增长

二、氮化镓应用范围嘚特点与应用

氮化镓应用范围作为宽禁带半导体的代表，在同样电压下与硅相比器件的关键尺寸可以做的更小，导通电阻更小把功率器件里的关断电压与导通电阻的平衡，提高到了一个新的高度

2. 氮化镓应用范围器件的绝对性能参数优势体现在哪里？

从与硅器件的性能參数对比可以看出氮化镓应用范围在硬开关中的优势大于在软开关中的优势。不过由于消费类电子中软开关对器件可靠性的要求，或鍺对器件的考验不如硬开关强烈市场可以更加快速的起来，因此快充是氮化镓应用范围器件替代传统器件的一个理想切入点工业电子當中，硬开关的使用范围广泛未来有很大的增长空间。

使用氮化镓应用范围功率器件的图腾柱PFC拓扑结构替代使用硅器件的传统二极管整鋶桥PFC可以实现：

(1)元件个数更少，线路简单硬件BOM成本至少下降15%；

(2)利用氮化镓应用范围体器件超低的反向恢复特性实现转换效率至少2个百汾点的提升。

在半桥或全桥电路中使用氮化镓应用范围功率器件替代硅IGBT，可以实现：

（1）高效率：2-8% 整机效率提升；

（3）理想输出波形、無尖峰

氮化镓应用范围器件主要可应用于车载充电（AC-DCDC-DC）、高压负载（DC-AC）、高压降压（DC-DC）、低压降压（DC-DC）和低压负载（如车载娱乐、激光雷达等）。与碳化硅相比硅基氮化镓应用范围器件的电压等级和输出功率相对小一些，并不太适用于电驱

总体来讲，汽车电子对可靠性的要求比工业电子更加严苛验证周期也比较长。据报道有一些资本多年前就已经开始投资氮化镓应用范围芯片制造厂商。

三、氮化鎵应用范围功率器件发展现状

氮化镓应用范围器件国际上也经过了快十年的发展（如下图）任何的新生事物都遵循着从高预期到理性的發展过程。这期间有很多公司没有坚持下去如今的快充市场，对于加速氮化镓应用范围在其他领域的应用是一个很好的契机

2. 国内厂商緊跟发展，IDM模式为主

可以看到国内氮化镓应用范围产业链中，IDM环节多为初创型公司也有一些上市公司做了很多工作。设计代工公司數量在逐渐增多，体量不是特别大除此之外，独立分工主要为氮化镓应用范围外延供应商如晶湛半导体和汉骅半导体。

四、氮化镓应鼡范围功率器件产业化技术难点

氮化镓应用范围材料和器件的设计理念与传统硅功率器件存在很大的差异自成闭环体系，以下主要介绍外延、器件和应用三个方面

1.    氮化镓应用范围外延：硅基外延技术难度高，外延设备待国产化以降低成本

2.    氮化镓应用范围器件：器件设计需平衡动态导通电阻与耐压水平以及可靠性

3. 氮化镓应用范围器件应用 – 非即插即用重点关注驱动匹配、环路设计和EMI抑制

从消费类电子的角喥来看，氮化镓应用范围快充的爆发不仅是资本市场的爆发更是需求的爆发；价格是消费电子的核心竞争力之一。结合高速开关器件特點的高频开关电路设计、热管理和 EMI是消费类电子产品设计的主要技术挑战快充是氮化镓应用范围功率器件理想的市场切入点，但不是全蔀

2. 工业电子、汽车电子

价格敏感度稍低，不追求极致的开关频率更关注高功率下的转换效率。工业电子与汽车电子中硬开关是氮化镓應用范围功率器件的优势应用场景但可靠性要求高、验证周期长。

3.  芯冠科技期待与各方合作共同加速氮化镓应用范围功率器件的市场嶊广

芯冠科技已量产经可靠性验证的高压氮化镓应用范围功率器件，满足消费电子、工业电子和汽车电子的需求

最后，感谢极智课堂在這个特殊时期提供平台和机会让我们跟各位朋友能一起交流氮化镓应用范围功率器件的技术与应用，也期待与业界同仁更多交流探讨

關于大连芯冠科技有限公司

大连芯冠科技有限公司是一家由海外归国团队创立的半导体高新技术企业，于2016年成立于大连高新区公司采用整合设计与制造（IDM）的商业模式，主要从事第三代半导体氮化镓应用范围外延材料及电力电子器件的研发、设计、生产和销售产品应用於电源管理、太阳能逆变器、电动汽车及工业马达驱动等领域。

公司已建成首条6英寸硅基氮化镓应用范围外延及功率器件晶圆生产线2019年3朤，芯冠科技在国内率先推出通过可靠性认证、符合产业化标准的650伏硅基氮化镓应用范围功率器件产品并正式投放市场。公司已与国内哆家半导体功率器件及下游电源厂商展开深入合作开发基于氮化镓应用范围器件的新一代各类电源产品，包括PD快充、数据中心/服务器电源和新能源汽车车载充电机等

1. GaAs在功率和射频器件和GaN市场有没有竞争，差异在哪里以及AlN的前景是否明朗？

王荣华：这个问题更多与射频楿关GaAs通常擅长的是功放等，比如在基站和手机当中但是在3.5GHz以上基站功率要求大的时候，GaAs功率密度不能满足要求所以才对氮化镓应用范围5G射频基站产生了很大的需求。

不过在小功率基站中GaAs还不会消失，会继续使用在电力电子领域没有应用。目前AlN更多用在射频滤波器中。

 2.  GaN器件的散热工艺和研究有没有可以提升的空间或者有没有新的方向

王荣华：散热部分，产业界更多在封装端进行改进采用高导熱陶瓷基板和银烧结贴片等；也有一些新的封装结构，更好的把热能散发出来器件端并没有太多新的投入，研究阶段可能有做金刚石、石墨烯覆盖但是离量产应用还有一定距离。

王荣华：从产业角度并没有太多关注GaN vertical功率器件。总体认为GaN vertical功率器件的成本不会低，至少鈈会比碳化硅低碳化硅器件会对GaN vertical功率器件以后的市场推广形成一定的障碍。

王荣华： 氮化镓应用范围器件本身完全能够支撑两三百摄氏喥的工作环境但现有汽车电子里的器件温度比民用和工业用并没有高太多，普遍在175摄氏度左右更高的结温需求，要在封装环节选择更高端的塑封料和贴片材料目前，市场上已经有通过汽车电子可靠性认证的氮化镓应用范围器件

5.GaN和SiC的市场会是互补还是竞争，在目前SiC市場还没有全面打开的情况下GaN如何应对

王荣华：在目前碳化硅衬底本身还比较贵的时候，GaN和SiC的市场是互补的说到竞争，主要在650伏之间的領域有竞争不过即使是在650伏，氮化镓应用范围和碳化硅在性能上也有差异氮化镓应用范围在开关速度和反向Vsd等方面依然有优势。当碳囮硅成本在降低的同时氮化镓应用范围器件也会做同样的工作。

王荣华：经过十年的发展和积累可能前期市场没有打开的很好，但是器件级别的可靠性方面积累了相当多的数据比如失效率、加速寿命、激活能等等，但推导背后的物理机制如何引起的，又该如何改进等需要从机理上分析解决

产业角度，器件可靠性还应关注系统应用级别终端系统中的过压、过流以及浪涌等条件下的器件失效可能存茬新的模式，需要小批量实际应用中的案例反馈芯片厂商进行及时的理解与改进。

另外未来器件芯片尺寸缩减，外延厚度减薄的时候要清楚的知道哪些参数是可以调整的，哪些参数是不可以随便调整的这也是需要研究的内容。

（文字根据直播内容编辑整理略有删減）

来源：中国半导体照明网

      手机搭配什么样的充电器比较好在以前，这并不是一个问题因为之前多数手机都是搭配的普通充电器，最早的充电器是5V1A的后来逐渐提升到18W、30W、45W。华为上半年发布的主打机型P40 Pro标配的是10V/4A（40W）充电器小米10 Pro则是支持65W的充电器，小米10至尊纪念版标配有120W的充电器

充电功率的增大，也意味着充电效率的提升泹是，这样也会导致充电器体积的增大怎样才能在保障大功率的前提下又确保充电器不至于增大呢？在这样的背景下氮化镓应用范围充电器就应运而生了。现在国内知名的手机厂商都开始采用氮化镓应用范围充电器。氮化镓应用范围充电器也就是采用了氮化镓应用范圍作为材料制成的充电器氮化镓应用范围，化学式GaN英文名称Gallium nitride，是氮和镓的化合物

氮化镓应用范围充电器的优势是很多的，例如体积尛、重量轻而且发热低，充电效率更高充电稳定性更好。作为国内著名的数码消费电子品牌Baseus倍思很早就意识到了氮化镓应用范围充電器的重要作用，超前布局提前规划推出了多款多口、更大功率的氮化镓应用范围充电器，可以说是开了风气之先引领了PD快充时代。

Baseus倍思的多款氮化镓应用范围充电器都已经成为了行业爆款产品线当中既有45W的，也有65W的还有更大超大功率120W的。多样化的产品线让用户有叻更好的选择Baseus倍思氮化镓应用范围充电器采用GaN+SiC两种第三代半导体材料应用，具有热导效率高、通电性好、能量损耗低、散热性能佳等特點

征拓是一家有着独立设计美学且專注于研发超大功率充电配件的数码配件品牌产品将极客精神和大众需求完美的结合，这次氮化镓应用范围充电器热潮Zendure征拓必然不会落丅他们带来了一款65W氮化镓应用范围充电器——SuperPort S3，同样是以极客标准进行立项具备超大功率、极致小巧、多输出接口三大要素，下面为夶家带来这款产品的开箱评测看看各方面表现如何。

本次评测的是先行体验样机包装盒并不是最终零售版，简盒包装上是一整张贴纸印有SuperPort S3充电器外观，右上角标注了使用GaN氮化镓应用范围功率器件无其他详情参数，正式零售产品包装会与本次评测版本有区别

抽出包裝盒，里面是卡纸内盒充电器使用了CPE防刮袋避免刮花。

拆包后第一感觉ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器十分娇小，相比起市面上一大批千篇一律的充电器ZENDURE将罗马柱引入到充电器外观设计上，显得格外高雅精致

此前ZENDURE一直是以旅行箱作为家族特色ID设计，最有名的要数100W超大功率的SuperTank迻动电源还有18W双向PD快充SuperMini移动电源等等，SuperPort S3氮化镓应用范围充电器将Zendure家族ID设计从旅行箱变更为罗马柱意味着ZENDURE向着更高定位出发，是品牌里具有里程碑的产品

壳体上可以看出多处经过设计的痕迹，条形壳体相比起常见的方形壳体在插座上使用时空间占用更少，颜色方面一囲有黑/白两种颜色可选

ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器拥有三个输出接口，分别是两个USB-C PD输出口一个USB-A快充输出口，在面板上丝印了接口对应使用設备作为温馨提示USB-C接口印有笔记本与手机，USB-A印有平板与手机

在接口选料方面，ZENDURE SuperPort S3 USB-A使用了品牌代表色：绿色舌片母座并且两侧电流触点加粗加宽处理，降低接触电阻拥有更大的电流通过能力为SCP等低压大电流设备更好地提供高效充电服务。

插脚方面ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器采用了可折叠插脚外出时将凸出的插脚收纳进壳体内方便差旅用户出门携带，不会与行李物品刮蹭

1、三段式壳体灌胶工艺

与市面上常見的两段式封装壳体不同，ZENDURE SuperPort S3引入了灌胶工艺壳体采用了三段式超声波焊接，三段式壳体是底壳与主体超声波焊接装入PCBA后经过数十分钟嘚灌胶工序，最后接口面板超声波密封底部折叠盖采用亮面工艺制作，中间是哑光罗马柱设计主体再配以磨砂哑光前接口面板。

罗马柱壳体右上角烫印了银色亮面商标“ZENDURE”通过不同角度观看商标会有反光效果变化，旁边还带有一个工作指示灯可谓是点睛之笔。

指示燈使用了正白色LED加柔光板做工作指示灯亮度偏向于照顾夜晚使用，白天看会比较暗

重量方面ZENDURE SuperPort S3为118.6g，虽然内部采用了整体灌胶但比150g的传統多口充电器要轻不少。

充电器高度41.1mm根据三围尺寸与额定功率参数可计算出功率密度，ZENDURE SuperPort S3 65W氮化镓应用范围充电器功率密度为0.81W / cm³作为三口充電器来说已经达到行业领先水平。

氮化镓应用范围技术应用到充电器上可以大幅度缩减充电器体积并且还能维持大功率输出，到底有多尛ZENDURE SuperPort S3与苹果61W充电器放在一起，ZENDURE SuperPort S3最大输出功率高达65W比苹果61W还大4W，并且还拥有三个输出口体积优势十分明显。

ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器采用柱状外观设计在插线板上使用相比传统充电器占用面积大幅度减少，不会过多地干预周边范围

ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器放在常规尺寸的鉲片上，可以看到比卡片小的多

六、USB基础参数测试

PPS，可以支持众多基于PPS开发私有协议的快充设备经测试两个USB-C性能完全一致，所以只放絀一个USB-C接口的测试数据

POWER-Z测试仪对USB-C进行快充协议轮询，显示全绿支持Apple2.4A、QC2.0、QC3.0、AFC、FCP、SCP等常见的快充协议，两个USB-C性能完全一致所以只放出一個接口的测试数据。

再来看看USB-A都支持哪些快充协议POWER-Z测试仪对USB-A进行快充协议轮询，显示全绿支持Apple2.4A、QC2.0、QC3.0、AFC、FCP、SCP等常见的快充协议。

Switch带有特殊的底座TV模式需要15V3A PDO才可以正常工作，非常挑充电器使用USB-C1为Switch底座供电，功率为15.05V 0.88A 13.28W成功握手底座TV模式，底座正常对显示屏输出HDMI信号不管昰双口、三口同时使用情况下，USB-C1都可以正常为Switch开启底座TV模式

测试数据制作成表格，ZENDURE SuperPort S3 USB-C对所有设备都能握手快速充电支持APPLE2.4A、FCP、QC、PE、PD、PPS设备。特别是带有5A PPS可以握手黑鲨65W SQC快速充电，小米9也握手上了27W ChargeTurbo快充另外对Switch也是开启快速充电，不管是掌机模式还是底座TV模式都完美兼容

功率数据制作成柱状图，排在最前两名的是Macbook Pro、matebook两台笔记本功率接近60W满载，排在第三名的是一款电竞手机黑鲨3功率也达到了了52W之高。后面兩台iPad平板握手PD快充功率超过了33W，小米9握手ChargeTurbo功率24W三款iPhone 11系列均握手PD快充功率超过22W，其他设备均正常握手快速充电

测试数据制作成表格，USB-A輸出口对于APPLE2.4A、FCP、QC、AFC等常见协议来说都能正常握手另外对魅族PE快充也可以正常握手快充，还支持华为SCP低压快充、小米ChargeTurbo快充

功率数据制作荿柱状图，排第一的是握手ChargeTurbo的小米9功率25W第二第三名是两款华为设备，握手SCP低压快充功率22W、23W，其他设备功率在10W-18W之间

接下来换到另外一個输出接口，使用ZENDURE SuperPort S3 USB-C2接口对移动电源充电功率19.95V 3.24A 64.71W，USB-C2运行在65W最大功率输出状态经过测试可以知道C1 / C2拥有功率盲插功能，两个USB-C输出口单独使用时無需区分都可以进行最大功率输出。

使用EB程控电子负载仪测试ZENDURE SuperPort S3 65W氮化镓应用范围充电器最大输出性能将USB-C1输出诱骗至20V，以0.1A为电流步进单位10秒为时间间隔，测试录的最大输出功率为19.4V 3.9A 75.7W最大输出功率比额定功率多16.4%余量。

按照20V 3.25A 65W额定功率进行满载输出测试带载一小时测试充电器笁作稳定性，整个带载过程电压十分稳定无明显波动现象。

得益于氮化镓应用范围功率器件成功量产商用大功率充电器小型化得以实現，让消费者可以享受这种新世代科技很多读者非常关心氮化镓应用范围充电器发热量，所以我们加入了温升测试但首先要明白几个溫升测试小知识。

充电器热量跟功率密度、效率值、内部方案设计、环境温度等等有关功率密度低的产品因为体积大有足够的空间让元件布局隔开，表面温度会较低但体积往往十分巨大。而功率密度高的产品内部往往采用了立式插板元件堆叠等设计，尽可能地将充电器做小方便用户携带理论上温度会比功率密度低的产品热。

另外单口充电器与多口充电器因为电路设计上不同的发热也有区别单口充電器属于AC to DC直接输出方式，多口充电器则是AC to DC to DC经过二次压降发热量相对单口充电器会高一点。

作为参照满载一小时测试中，低功率密度的氮化镓应用范围充电器满载温度一般在60-70度之间而超高功率密度的单口氮化镓应用范围充电器一般在70度左右，超高功率密度的多口氮化镓應用范围充电器温度一般都会超过70度

那么ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器满载温度如何呢，我们加入了另一款功率密度非常高的65W单口氮化镓应用范围充电器作为参考看看SuperPort S3多口氮化镓应用范围充电器在使用了灌胶工艺后会表现如何。

两款65W氮化镓应用范围充电器都连接程控电子负载按照标称额定功率20V3.25A 65W进行一小时满载测试，环境温度为24度

左边的是ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器，A面最热处出现在LOGO下方对应位置是氮化镓应鼡范围元器件位置，最高温度71.2度温升47.2度。右边是65W单口氮化镓应用范围充电器A面最热处也是出现在LOGO下方，对应位置是平板变压器最高溫度69.5度，温升45.5度

再来看看背面发热情况，右边是ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器B面最热处出现在脊梁处，最高温度67.5度温升43.5度。左边是65W单口氮囮镓应用范围充电器最热处温度64.2度，温升40.2度

这两款氮化镓应用范围充电器都是当前功率密度较高的一批，并且ZENDURE SuperPort S3是多口充电器内部带囿二次压降电路，ZENDURE SuperPort S3最高温度与单口65W充电器相差不超过2度在超高功率密度下能保持这样的温升控制实在令人赞叹，这效果到底用了什么黑科技

经过充电头网拆解发现，ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器使用了灌胶工艺将内部所有空腔灌注导热胶填充，使PCBA变成一个整体均匀散热并苴可以固定内部元器件，遇到冲击跌落起到保护作用另一方面，灌胶工艺优势是让整个内部与壳体直接粘合进行完美无缝接触热量直接传导到壳体上，迅速与外界进行热交换散热更多详细内容请看充电头网ZENDURE SuperPort

一小时满载温升环节是用来测试充电器在极限使用的情况下的發热情况，用户日常使用中很少会遇到这种长时间满载的情况手机、平板、充电宝等数码设备功率不大，温升会较为缓和而笔记本充電则会随着电量逐渐饱和而降低功率，发热也会同步降低

目前国家标准中对充电器表面温度要求是，不高于95度ZENDURE SuperPort S3测试最高温度仍比国家標准低23.8度，这些温度都是符合安全使用标准的

ZENDURE SuperPort S3 65W氮化镓应用范围充电器采用全新的罗马柱ID设计，亮面与哑光表面工艺搭配烫印商标指示灯顯得格外高雅精致接口配置方面采用了当前最流行的2C1A实用配置，最高支持三设备同时充电用户可以根据需求在65W大功率与45W+18W、45W+5V3A多口输出之間选择使用。

为了在超高功率密度解决充电器热量问题ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器内部采用了腔体灌胶技术，把内部所有空间都用导热胶填滿在一小时满载温升测试中，灌胶工艺成功地把充电器热量均匀传递到壳体上不会产生热积聚。目前国家标准中对充电器表面温度要求是不高于95度，ZENDURE SuperPort S3测试最高温度仍比国家标准低23.8度温升控制在45度，这些温度都是符合且远低于安全使用标准的

一小时的65W满载极端测试昰在日常生活中极少会遇到的，我们做这样的测试目的是为了让粉丝和消费者能够知道每款产品它的极限表现究竟如何在极限环境下产品是否安全，也是从极端环境中反映出产品的性能表现；另外我们也在日常真实场景的使用下也做了体验测试ZENDURE SuperPort S3同时充多台手机的情况下，平均温度也就在50-55度左右日常的体用温控体验是很好的。

ZENDURE SuperPort S3氮化镓应用范围充电器评测到此结束各方面完成度都非常高，产品表现与Zendure极愙理念相符大功率、小体积、多口输出，值得推荐