氮矽科技：氮化镓功率器件研究进展与应用

前言

2023（秋季）亚洲充电展将在8月23-25日在深圳福田会展中心3号馆举办，届时将会汇聚数百家知名企业参展。此次展会以推动充电行业交流与发展，打造一个关于技术交流的平台为目的，通过对行业的发展趋势的交流和相互间的技术交流，寻找产业升级新机遇，研判未来趋势，商讨行业观点并深化合作，结合国内外经济发展情况，推动构建产业间的相互合作。

2023年08月23日，由充电头网发起的2023（秋季）亚洲充电展在深圳福田会展中心举行，汇聚了众多国内外众多半导体产业链的专家、学者、企业代表等半导体领域的大咖，互相交流半导体技术和半导体未来的发展趋势，为大家分享最新半导体领域的技术和干货，其中成都氮矽科技有限公司（下称：氮矽科技）受邀出席，带来了《氮化镓功率器件研究进展与应用》为主题的演讲，对多款氮化镓芯片和解决方案进行了详细讲解。

担任本次演讲的是氮矽科技现任GaN HEMT器件设计总监朱仁强博士，朱仁强博士拥有超过五年功率氮化镓器件研发经验，在国际知名期刊和会议发表论文十余篇，申请发明专利三项。在本次大会上带来了《氮化镓功率器件研究进展与应用》的主题演讲，演讲中详细介绍了氮化镓作为第三代半导体材料的典型代表，其材料优势、器件结构、应用场景、市场趋势并着重介绍了氮矽科技进军多个市场的系列产品。

氮化镓作为重要的第三代半导体材料之一，具有禁带宽度大，击穿电压高，损耗低，高频特性优等特点，在功率器件领域已占据重要地位。GaN与使用传统材料的器件相比，可以有效降低损耗、提高效率和优化变压器和充电器的体积。

传统Si功率器件普遍采用垂直结构，而GaN由于GaN衬底成本高昂的限制，主要采用基于硅衬底的横向HEMT结构。

氮化镓功率器件需要的常关型器件和增强性器件，其中HEMT器件常关型器件的原理是在AlGaN层上淀积形成肖特基接触的栅极(G)，源极(S)和漏极(D)进行高浓度掺杂并与沟道中的二维电子气相连形成欧姆接触。

功率氮化镓产业技术路线分为D-mode HEMT 和 E-mode HEMT两大流派。D-mode HEMT路线将一颗D-mode HEMT与一颗LV Si MOSFET采用Cascode方式相连，代表公司有Transphorm,、PI、镓未来等。E-mode HEMT路线则只使用一颗E-Mode HEMT晶体管（常使用p-GaN gate方式实现），代表公司有GaN system、Navitas、松下、英诺赛科，氮矽科技、英飞凌等。

随着功率氮化镓市场的不断开阔，氮化镓市场迎来了蓬勃发展，市场规模也在逐步扩大，预计2027年达到20亿美元，涉及消费者、汽车、工业、能源等多个领域。

快充领域作为当前功率氮化镓的最主要的应用领域之一，在未来数年仍具有广阔的市场空间。除了快充市场外，功率氮化镓在家电、电源适配器、数据中心、新能源汽车、锂电池等领域同样具有巨大的潜在应用市场。

氮矽科技作为一家专注功率氮化镓功率器件及驱动器研发和销售的公司，旗下拥有不同系列的芯片产品，分别为氮化镓晶体管系列、氮化镓驱动系列、氮化镓集成驱动系列，还可以提供快充、电源适配器、TV电源等领域的解决方案。

在氮化镓快充市场中，仅进入其中的知名智能手机品牌就有小米、OPPO、华为、三星、苹果等，按国内每年超3亿部手机出货量来汇算，芯片需求量超百亿颗，不少厂商布局其中。氮矽科技的多款产品中，仅高压650V器件在2023年第一季度的出货量就达500W颗，在业内遥遥领先。

在TV电源市场中，七大主力品牌占了TV市场的90%，竞争十分激烈，每一个优化都可能是破局的关键，厂商采用氮化镓方案的TV电源可以有效提高产品的效率和能效，从而提高产品的竞争力。

采用氮矽科技的TV电源解决方案，不仅可以减少研发时间和加快产品上市，还可以给电源系统进行整体优化，进而有效降低产品的体积、电源成本，提高产品的竞争力。

氮化镓产品在电源适配器市场同样拥有非常多的应用市场，包括不限于LED照片、电动车、电动工具、数码电子。在电源适配器市场中，氮矽科技的氮化镓产品主要分布在高压氮化镓器件和LED、PC、电动二轮车、适配器等领域中，拥有体积小、散热好、低成本等优势。

氮矽科技在数据中心市场中的氮化镓产品主要布局在高/低压氮化镓器件产品、国内独家单/双通道驱动、合封驱动产品中。使用氮矽科技的氮化镓方案可以有效降低发热和减小体积，相较于传统硅材料，可以有效提升效率，达到环保节能的要求。

氮化镓器件的出现，可以使新能源电动车进行尺寸微调、轻量化及高效率。氮矽科技的产品早已入局新能源汽车市场，目前主要应用在DCDC转换器、逆变器、车载充电器中，未来将持续开发新的产品，满足厂商更多需求。

锂电池循环性能优越，使用寿命长，可快速充放电，且输出功率大，不含有毒有害物质，被称为绿色电池。当绿色电池遇上一套优秀的充放电系统，可以最大程度发挥锂电池的作用，而内置了氮矽科技的DC-DC转换器，可以有效减少充放时长和提高用电效率，达到节能减排的目的。

以下是氮矽科技的芯片产品介绍。

氮矽科技作为一家专注功率氮化镓功率器件及驱动器研发和销售的公司，针对以上应用领域，已推出多款产品，包含650V （80mΩ ~ 400mΩ）氮化镓晶体管，多款氮化镓专用单/双通道驱动，及多款氮化镓集成驱动产品。

目前，氮矽科技在氮化镓功率器件方面已经推出了DX6507、DX6510、DX6515、DX6520等多种规格的产品，同时也有TO220、TO252、DFN5x6、DFN8x8等类型的封装，可以满足客户各种应用需求，并且具有高性价比的特点。

本次演讲中，朱仁强博士提到了一款2020年12月份发布的功率器件DX6510D，采用PDDFN4x4封装工艺，荣获当时全球最小封装尺寸的650V GaN HEMT，采用Chip Face Down（芯片焊盘面向下），解决了氮化镓器件衬底散热慢的问题；同时用RDL（Re-distribution Line重布线）工艺替代传统WB工艺中使用的细长的焊线，大大减小产品的封装电阻及寄生参数。此外还采用了创新的双面散热设计，提高MOS管散热性能。

氮矽科技的增强型 GaN HEMT 栅极驱动器DX1001曾打破了国外厂商的氮化镓驱动IC垄断。断。该驱动器拥有DFN3x3和SOT23-6两种不同的封装方式，最高工作频率为50MHz，可以满足未来工业、基站、汽车雷达等高频领域的产品应用。

氮矽科技的增强型 GaN HEMT 双通道栅极驱动DX2104J，作为一颗国内领先的80V耐压的氮化镓半桥驱动，内置自举电源，具有独立的高低侧TTL逻辑控制信号输入，将输出电压钳位在5.2V，确保准确高速的驱动。驱动级具有1.5A拉电流能力和5A灌电流能力，可防止意外导通。DX2104J可用于半桥或全桥转换器、同步降压转换器、无线充电器、D类功放等多种应用领域。

氮矽科技推出的两款合封驱动器与增强型GaN器件的氮化镓功率芯片DXC0765S2C和DXC1065S2C，器件使用了DFN5x6、TO220封装工艺，将 650V 增强型氮化镓晶体管及其驱动器封装在一个芯片内部，降低了氮化镓快充产品开发门槛，丰富了合封氮化镓电源芯片市场。可应用在快充电源、LED照明驱动器、PFC电路、LLC转换器、无线电力传输等领域。

上图为分离驱动方案与合封驱动方案的驱动振铃电压测试图，在下拉电阻同为0Ω的情况下，实测分离驱动方案的驱动振铃电压为1.8V，而合封驱动方案的驱动振铃电压仅仅只有0.24V。增强型氮化镓晶体管的阈值电压一般为1~2V，如果应用工程师选择增加下拉电阻的阻值来防止功率管的误开启，那么势必会影响管子的关断速度，导致应用频率受到限制。

与传统硅(Si)基MOS相比，氮化镓HEMT的阈值电压更低，对栅极驱动电压振铃的控制要求非常高。传统的分离驱动方案由于栅极驱动回路的寄生电感过高，导致栅极驱动电压振铃过高，氮化镓HEMT容易出现误开启，导致系统温度过高，甚至出现炸管的风险。氮矽科技PIIP GaN产品将氮化镓HEMT与自研的氮化镓驱动合封，极大的减少了驱动回路的寄生电感，大大的提高了氮化镓器件的可靠性。可以满足未来工业、汽车等领域的应用。

以上是演讲的全部内容，如需了解更多产品资讯，可以与氮矽科技取得联系。

「历年拆解」

2022年、2021年、2020年、2019年、2018年、2017年、2016年、2015年

「电源芯片」

南芯、英集芯、智融、茂睿芯、必易微、美芯晟、杰华特、华源、硅动力、富满云矽、芯海、天德钰、贝兰德、力生美、创芯微、稳先微、宝砾微、东科、易冲、拓尔微、恒成微、沁恒、钰泰、诚芯微

「被动器件」

特锐祥、贝特、沃尔德、柏瑞凯、金瑞、高特

「氮化镓」

纳微、英诺赛科、氮矽、聚能创芯、能华、威兆、镓未来、微硕

「快充工厂」

航嘉、古石、酷科、鹏元晟、瑞嘉达、天宝、田中精机

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