GaN功率芯片走向成熟，納微GaNSense開啟智能集成時代

迎九

2021年11月，消費類GaN（氮化鎵）功率解決方案供應(yīng)商——納微半導(dǎo)體宣布推出全球首款智能GaNFast？功率芯片，采用了GaNSense？專利技術(shù)。值此機(jī)會，《電子產(chǎn)品世界》采訪了銷售營運總監(jiān)李銘釗、高級應(yīng)用總監(jiān)黃秀成和高級研發(fā)總監(jiān)徐迎春。

從左至右：納微半導(dǎo)體的高級應(yīng)用總監(jiān)黃秀成、銷售營運總監(jiān)李銘釗和高級研發(fā)總監(jiān)徐迎春

1 GaN是高頻高壓的減碳之選

1）有望在電力應(yīng)用中取代Si

GaN（氮化鎵）的特性與傳統(tǒng)Si（硅）有很大區(qū)別，例如開關(guān)速度比Si快20倍，體積和重量更小，某些系統(tǒng)里可以節(jié)能約40%。這是非常可觀的，對于實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)很有助益。它的功率密度可以提升3倍，如果搭配快充方案，充電速度提升3倍以上，而且成本也很合理，相比Si的BOM（物料清單）方案，系統(tǒng)待機(jī)節(jié)約20%左右。

為何GaN過去沒有受到重視？因為20年前業(yè)界才開始開發(fā)GaN材料，而Si芯片在20世紀(jì)70年代開始流行，比GaN早了30年以上。不過，最近這幾年GaN通過設(shè)計優(yōu)化、產(chǎn)能提升、成本控制，慢慢落地應(yīng)用在消費類、工業(yè)類電子產(chǎn)品里。

以目前開拓消費領(lǐng)域的納微為例，現(xiàn)在已出貨3 000萬個GaN功率芯片，主要應(yīng)用于消費類產(chǎn)品的充電器，現(xiàn)在全球超過140款量產(chǎn)充電器采用納微的方案，大約150款產(chǎn)品處于研發(fā)中。

在價格上，Si基GaN的成本在逐漸降低。例如納微的產(chǎn)品成本和價格已經(jīng)非常接近Si了，預(yù)計2022年末到2023年，在同等Rds（on）時，其GaN產(chǎn)品可以做到和Si成本相當(dāng)。但價格不等同成本，會由策略、戰(zhàn)略、體量等各方面的因素決定，但是也會隨著成本而變化。

2）相比SiC的優(yōu)勢

SiC（碳化硅）商業(yè)化已經(jīng)20多年了，GaN商業(yè)化還不到5年時間。因此人們對GaN未來完整的市場布局并不是很清楚。

SiC的材料特性是能夠耐高壓、耐熱，但是缺點是頻率不能高，所以只能做到效率提升，不能做到器件很小。現(xiàn)在很多要做得很小，要控制成本。而GaN擅長高頻，效率可以做得非常好。

例如，特斯拉等車廠使用SiC做主驅(qū)等，因為SiC更適合做大功率、更高端的應(yīng)用。

目前GaN在消費領(lǐng)域做得非常好，可以完全替代Si器件；而SiC下探到消費領(lǐng)域非常難。

現(xiàn)在是GaN不斷往上走，電壓、電流、功率等級不斷往上探，以納微為例，未來的布局有服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、電動汽車等。而且GaN往上探?jīng)]有限制，例如納微在2021年底或2022年就會推出小于20 mΩ的器件，意味著可以做到單體3.3～5 kW的功率，未來做模塊，例如3個die（晶片）或者更多die做橋壁、并聯(lián)等，很快功率等級會從10 kW到20 kW、30 kW……據(jù)《電子產(chǎn)品世界》所知，已有GaN模塊供應(yīng)商推出了電動汽車的充電樁方案、主驅(qū)等；納微也有此方面的規(guī)劃。

從器件本身特征看，與Si和SiC器件相比，GaN每次開關(guān)能量的損耗可以更低。所以GaN相比SiC更節(jié)能。

2 GaN的應(yīng)用領(lǐng)域

1）手機(jī)充電器。主要有2個原因，①手機(jī)電池容量越來越大，從以前的可能2 000 mA·H左右，到現(xiàn)在已經(jīng)到5 000 mA·H。GaN可以減少充電時間，占位體積變小。②手機(jī)及相關(guān)電子設(shè)備使用越來越多，有USB-A口、USB-C口，多頭充電器市場很大，這也是GaN擅長的領(lǐng)域。

2）電源適配器。可用于平面電視、游戲機(jī)、平板等。GaN適配器可以做得更小、更輕，大約每年有20億美元左右的市場。

3）數(shù)據(jù)中心。據(jù)納微測算，每年GaN功率芯片可以節(jié)省19億美元左右的電費（如圖1）。

4）太陽能發(fā)電。不僅可以把太陽能的逆變器放在家里非常小的地方，而且消費者可以用到更便宜的電力（如圖2）。

5）電動汽車。由于GaN有優(yōu)異的特性，可以實現(xiàn)小型化。可以把汽車?yán)锏腛BC（車載充電機(jī)）、DC/DC（直流/直流）做到更小、更輕（圖3）。

可見，GaN是實現(xiàn)雙碳的重要方式。據(jù)納微基于對GaN與Si的總生命周期進(jìn)行分析比較所做的估算，每出貨1個GaN功率芯片，1年可以減少4 kg的CO2。主要原因是：①GaN使用能源的效率更高。例如，采用納微GaNSenseTM技術(shù)可使充電器效率達(dá)到92%～95%；也可降低待機(jī)功耗。②整個系統(tǒng)節(jié)省了很多外部零件，例如用Si的方案做1臺服務(wù)器電源，可能有1 000個零件；用GaN可能只用600多個零件。節(jié)約了生產(chǎn)這些零部件的碳排放和廢物。

3 GaN功率芯片在向集成化發(fā)展

GaN功率芯片主要以2個流派在發(fā)展，一個是eMode常開型，納微代表的是另一個分支——eMode常關(guān)型。相比傳統(tǒng)的常關(guān)型的GaN功率器件，納微又進(jìn)一步做了集成，包括驅(qū)動、保護(hù)和控制的集成。

GaN功率芯片集成的優(yōu)勢如下。

1）傳統(tǒng)的Si器件參數(shù)不夠優(yōu)異，開關(guān)速率、開關(guān)頻率都受到極大限制，通常基于Si器件的電源系統(tǒng)設(shè)置都是在60～100 kHz的開關(guān)頻率范圍，導(dǎo)致的結(jié)果是：因為開關(guān)頻率較低，其儲能元件電感電容的尺寸比較大，電源的功率密度相對較低，業(yè)界通常的功率密度小于0.5 W/cc。

2）分立式GaN因為受限于驅(qū)動的線路的復(fù)雜性，如果沒有把驅(qū)動集成到功率器件里，受限于外部器件的布局、布線參數(shù)的影響，開關(guān)頻率沒有發(fā)揮到GaN本來應(yīng)有的高度。所以，相比普通的Si器件大概只有二三倍開關(guān)頻率的提升，可想而知功率密度的提升也是比較有限的。相比傳統(tǒng)的電源適配器或電源解決方案，盡管友商或同行可以設(shè)計出較高的功率密度，但是遠(yuǎn)沒達(dá)到1W/cc的數(shù)字。而納微的功率GaN器件由于集成了控制、驅(qū)動和保護(hù)，不依賴于外部集成參數(shù)，開關(guān)頻率可以充分釋放。例如在電源適配器方面，目前納微主流的開關(guān)頻率在300、400 kHz，模塊電源方面已有客戶設(shè)計到了MHz。目前很多納微的客戶方案已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 W/cc。

納微的主流產(chǎn)品系列是GaNFastTM系列，是把驅(qū)動控制和基本保護(hù)集成在功率器件里。GaNSenseTM技術(shù)在GaNFastTM的基礎(chǔ)上又做了性能的提升，包括無損電流采樣、待機(jī)功耗節(jié)省，還包括更多保護(hù)功能的集成。

4 GaNSenseTM的3個應(yīng)用場景

1）目前快充最火爆的QR Flyback（準(zhǔn)諧振）的應(yīng)用場景，可以代替原邊的主管和采樣電阻。

2）升壓PFC功能的電源。

3）非對稱半橋（AHB）。隨著PD3.1充電標(biāo)準(zhǔn)的引入，非對稱半橋拓?fù)湟欢〞黾印?/p>

截止納微發(fā)布這個產(chǎn)品，已經(jīng)有一些客戶在使用GaNSenseTM技術(shù)，并實現(xiàn)了量產(chǎn)。例如小米120 W GaN充電套裝，目前是業(yè)界最小的120 W解決方案，里面是PFC+QR Flyback系統(tǒng)框架，已經(jīng)使用了2顆NV6134 GaNSenseTM系列。相比之前已經(jīng)量產(chǎn)的傳統(tǒng)Si方案，GaNSenseTM解決方案比Si方案提升了1.5%的效率。還有聯(lián)想的YOGA 65 W雙USB-C充電器，也采用了NB6134的解決方案。

5 納微的市場規(guī)劃及獨門技術(shù)

納微與傳統(tǒng)的GaN廠商有點不太一樣。納微一開始從消費類做起，目前消費類是其最大的市場。在納微的未來5年規(guī)劃中，服務(wù)器是第2步；第3步是工業(yè)類；第4步是汽車類。據(jù)悉，納微已與國外汽車零部件生產(chǎn)公司合作，并將與歐洲的某車廠啟動一個大項目。

目前納微還是以快充為主營業(yè)務(wù)。2019—2021年，納微會把整個AC-DC（交流-直流）布局布得更全，使GaNSenseTM有更廣闊的應(yīng)用。

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