集微公开课第九期笔记：维安第三代超级结硅MOSFET，手机快充的最佳选择！
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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 。
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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 。
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对比65WGaN快充和65WSilannaEVB（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 。
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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 。
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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
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从MOSFET的发展历史来看 ， 1970年第一款verticalMOSFET（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） 。
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硅MOSFET工艺优化改进有两个方向 ， 中低压<200VMOSFET的演变方向是沟槽栅向屏蔽栅（SGT）工艺演变 。
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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500-1200Vsuperjunction工艺 ， 兼顾了高电压和低电阻的特性 。
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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 。
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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
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对比SJ-MOSFET与GaNE-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 。
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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 。
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从两种器件的等效电路模型来看 ， SJ-MOSFET寄生bodydiode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 。
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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 。
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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GaNHEMTs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
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小米65WGaN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 。
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SilannaACF（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 。
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SilannaACF65W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 。
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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 。
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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 。
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超级结硅MOSFET和GaNHEMTs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 。
【集微公开课第九期笔记：维安第三代超级结硅MOSFET，手机快充的最佳选择！】维安SJ-MOSFET创新封装
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对比友商的产品 ， 采用维安PDFN8x8封装的65WPD适配器实测效率更高 。
目前 ， 三星ELENTEC/15W以及三星S105G版原装25WUSB-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 。
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