GaN功率芯片走向成熟，納微GaNSense開啟智能集成時代

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。

從上至下：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?？捎^的，對于實現(xiàn)“雙碳”目標很有助益。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。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）手機充電器。主要有2 個原因，①手機電池容量越來越大，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、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）。

圖1 數(shù)據(jù)中心采用GaN的能效推測（來源：納微半導(dǎo)體）

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?？梢园哑嚴锏腛BC（車載充電機）、DC/DC（直流/ 直流）做到更小、更輕（圖3）。

圖3 電動汽車中，GaN與Si的比較

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：① GaN 使用能源的效率更高。例如，采用納微GaNSense^TM 技術(shù)可使充電器效率達到92% ～ 95%；也可降低待機功耗。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，納微又進一步做了集成，包括驅(qū)動、保護和控制的集成。

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?；赟i 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，但是遠沒達到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，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遠大于1 W/cc。

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

4   GaNSense^TM的3個應(yīng)用場景

1）目前快充最火爆的QR Flyback（準諧振）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 充電標準的引入，非對稱半橋拓撲一定會慢慢增加。

截止納微發(fā)布這個產(chǎn)品，已經(jīng)有一些客戶在使用GaNSense^TM 技術(shù)， 并實現(xiàn)了量產(chǎn)。例如小米120 WGaN 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 GaNSense^TM 系列。相比之前已經(jīng)量產(chǎn)的傳統(tǒng)Si方案，GaNSense^TM 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GaNSense^TM 有更廣闊的應(yīng)用。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）