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4月30日（周四）上午10点，第九期“集微公开课”邀请到上海维安半导体有限公司功率器件产品应用技术专家郭建军，带来以《风华绝代，比肩GaN的第三代超级结硅MOSFET》为主题的精彩演讲。
本次公开课，郭建军以MOSFET工艺演变、维安第三代超级结硅MOSFET特性以及与氮化镓MOSFET实测数据对比，让工程师了解到风华绝代、比肩氮化镓的第三代超级结硅MOSFET在手机快充中的应用优势和产品趋势。
充电器发展趋势
快充是充电器的一个发展趋势，目前充电器最大的充电功率可以达到100W，市面上有18W、30W、40W、65W等各个功率等级的产品，功率密度也在日益增加，最高达1.4W/cm³。
对比65W GaN快充和65W Silanna EVB（评估板）快充的数据来看，采用GaN技术的功率密度为1.2W/cm³，采用超级结硅技术的功率密度为1.18W/cm³，差异非常小。
同时，高效率也是充电器的一个发展趋势，电源适配器目前的最新能效已经到了6级能效，从上述图表来看，最低的效率要求到了70%以上。
传统平面MOSFET 的封装尺寸较大、功耗高、温升高、效率低；而超结MOSFET的尺寸比较小，可以做贴片封装，因而带来了高效率和低温升的效果。
MOSFET 工艺的演变
从MOSFET 的发展历史来看，1970年第一款vertical MOSFET（垂直结构MOSFET）诞生，到1980年衍变为DDMOS（双扩散结构MOSFET），再衍变为VDMOS （垂直扩散结构MOSFET ）和LDMOS（横向扩散结构MOSFET ）。
硅 MOSFET 工艺优化改进有两个方向，中低压<200V MOSFET的演变方向是沟槽栅向屏蔽栅（SGT）工艺演变。
不过，虽然工艺已经有改进，但仍受制于Si极限，因此，业界引入了硅超级结的工艺，SJ-MOSFET 打破了硅极限，主要针对高压方向500-1200V super junction 工艺，兼顾了高电压和低电阻的特性。
SJ-MOSFET 主要有多次外延和深沟槽两种工艺，采用多次外延工艺的MOSFET成本偏高、生产周期长，但开关特性接近于传统的VDMOS，EMI（电磁兼容）特性也相对更好。而采用深沟槽工艺的MOSFET技术难度偏高，成本有优势，交付周期偏短。
相对于第二代工艺，维安第三代深沟槽工艺是基于8英寸工艺实现的，品质因数FOM下降了24%，pitch更小、开关电荷较低，并且成本较低，性价比更高。
超结技术硅和氮化镓MOSFET对比
对比SJ-MOSFET 与GaN E-HEMT 结构来看，GaN是横向结构，无掺杂低杂质，可以实现高电子迁移率，而SJ-MOSFET 是一个垂直结构的器件。从材料来看，SJ-MOSFET 仅采用硅材料而GaN是采用Si 衬底以及GaN、AlGaN 多种材料复合而成，工艺难度较大。
从两种器件的截面图来看，SJ-MOSFET是垂直型结构，GaN 是平面型结构。
从两种器件的等效电路模型来看，SJ-MOSFET 寄生body diode具有雪崩特征，GaN 无雪崩特性。因此，GaN在耐电压特性方面并不如意。
在开关损耗/结电容方面，SJ-MOSFET 在0-40V的开关损耗较大，而GaN的开关损耗较小且变化较小。
从功率器件的关键参数来看，SJ-MOSFET 在反向阻断能力、反向阻断耐量、正向导通表现更好，而GaN HEMTs在正向导通表现更好，不过，这对EMI方面却并不利。
SJ-MOSFET充电器与GaN充电器的对比
小米65W GaN充电器内部结构比较紧凑，内部空间运用得比较极致，其PCB尺寸是31mm*31mm*56.2mm，功率密度是1.2W/cm³。
Silanna ACF（有源钳位）65W的评估板采用了维安第三代深沟槽工艺的SJ-MOSFET，其PCB尺寸是50mm*50mm*22mm，功率密度是1.18W/cm³，集成高压有源钳位FET，整体效率可以到达93%以上 。
Silanna ACF 65W 解决方案初级MOSFET采用的是WML14N65C4，同步整流MOSFET采用了WMB129N10T2，负载开关MOSFET为WM06DN03D。
从板端效率测试来看，采用维安SJ-MOSFET的Silanna评估板待机功耗远低于100mW，符合标准，而两者的平均效率差异不大，都远远超过标准要求。
在运行波形方面，维安第三代SJ-MOSFET开关频率为92.05kHz，电流最大值为2.36A，但GaN的耐压值为452V，非常低，但驱动电压为5.2V，开关频率为374kHz，非常高。
超级结硅MOSFET和GaN HEMTs 主要差异CGS+CGD(VDS), 硅MOSFET结电容相对较大，故最大使用开关频率比GaN小，上图硅开关频率是GaN的1/4；高开关频率不可忽视的是磁性器件的损耗，比如变压器磁滞损耗、涡流损耗和气息损耗。
维安SJ-MOSFET 创新封装
对比友商的产品，采用维安PDFN8x8封装的65W PD 适配器实测效率更高。
目前，三星 ELENTEC/15W以及三星S10 5G版原装25W USB-C充电器均有采用维安的产品，并实现了大规模交付。
郭建军表示，从元器件层面来看，硅器件更有价格优势，一个4英寸的氮化镓晶圆成本大概是1万元，但是8英寸的超级结硅晶圆成本在1万元以内，同时，氮化镓器件比硅器件的封装要求高很多，这也导致其封装成本更高。
此外，郭建军指出，工程师在硅器件方面积累了丰富的设计和实践经验，在某些情况下，硅可以实现比氮化镓更高的效率，因此，在选择功率开关时，业界需要考虑成本、稳定性等因素，硅器件依然有很多的空间能被业界所采用。
集微直播间自开创以来获得了大量来自行业的关注与好评。5月7日-9日（周四-周六）上午10:00，集微开讲、集微公开课轮番上阵，让你过足瘾！
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(校对/艾禾)
