新闻中心

EEPW首页 > 电源与新能源 > 编辑观点 > GaN功率芯片走向成熟,纳微GaNSense开启智能集成时代

GaN功率芯片走向成熟,纳微GaNSense开启智能集成时代

作者: 王莹时间:2021-11-23来源:电子产品世界收藏

(氮化镓)作为新兴的第三代宽禁带半导体材料,以高频、高压等为特色。但是长期以来,在功率电源领域,处于常规的Si(硅)和热门的SiC(碳化硅)应用夹缝之间。产品的市场前景如何?技术有何新突破?

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202111/429847.htm

1637656962157157.png

不久前,消费类GaN(氮化镓)功率解决方案供应商——纳微半导体宣布推出全球首款智能GaNFast™功率芯片,采用了专利的GaNSense™技术。值此机会,电子产品世界的记者采访了销售营运总监李铭钊、高级应用总监黄秀成、高级研发总监徐迎春。

1637656998920899.png

从左至右:纳微半导体的高级应用总监黄秀成、销售营运总监李铭钊、高级研发总监徐迎春

1   GaN是高频高压的减碳之选

1)有望在电力应用中取代Si 

GaN的特性与传统Si有很大区别,例如开关速度比Si快20倍,体积和重量更小,某些系统里可以节能约40%。这是非常可观的,对于实现双碳目标很有助益。它的功率密度可以提升3倍,如果搭配快充的方案,充电速度提升3倍以上。而且成本也很合理,相比Si的BOM方案,系统待机节约20%左右。

1637657033631552.png

为何GaN过去没有收到重视?因为20年前业界才开始开发GaN材料,而Si芯片在1970年代已经有了,比GaN早了30年以上。不过,最近这几年GaN通过设计优化、产能的提升、成本的控制,慢慢地落地到应用在消费类、工业类里。

以目前开拓消费领域的纳微为例,现在已出货3000万个GaN功率芯片,主要应用于消费类产品的充电器上,现在全球超过140款量产中的充电器采用纳微的方案,大约150款产品处于研发中。

在价格上,Si基GaN的成本在逐渐降低。例如纳微的产品成本和价格已经非常接近Si了,预计2022年末到2023年,在同等Rds(on)时,其GaN产品可以做到和Si成本相当。但价格不等同成本,会有策略、战略、体量等各方面的因素决定,但是也会随着成本而变化。

2)相比SiC的优势

SiC商业化已经20多年了,GaN商业化还不到5年时间。因此人们对GaN未来完整的市场布局并不是很清楚。

SiC的材料特性是能够耐高压、耐热,但是缺点是频率不能高,所以只能做到效率提升,不能做到器件很小。现在很多要做得很小,要控制成本。而GaN擅长高频,效率可以做得非常好。

例如,特斯拉等车厂使用SiC做主驱等,因为SiC更适合做大功率、更高端的应用。

目前GaN在消费领域做得非常好,可以完全替代Si器件;而SiC下探到消费领域非常难。

现在是GaN不断往上走,电压、电流、功率等的等级不断往上探,已纳微为例,未来的布局有服务器、数据中心、电动汽车等。而且GaN往上探没有限制,例如纳微在2021年底或2022年就会推出小于20mΩ的器件,意味着可以做到单体(3.3~ 5)kW的功率,未来做模块,例如3个die(晶片)或者更多die做桥壁、并联等,很快功率等级会从10kW到20kW、30kW……据电子产品世界记者所知,已有GaN模块供应商推出了电动汽车的充电桩方案、主驱等;纳微也有此方面的规划。

从器件本身特征看,与Si和SiC器件本身相比,GaN每次开关能量的损耗可以更低。所以GaN相比于SiC更节能。

2   GaN的应用领域

●   手机充电器。主要两个原因,①手机电池容量越来越大,从以前的可能2000mAH左右,到现在已经到5000mAH。GaN可以让充电时间减少,占位体积变小。②手机及相关电子设备使用越来越多,有USB-A口、USB-C口,多头充电器市场很大,这也是GaN擅长发挥的领域。

●   电源适配器。可用于平面电视、游戏机、平板等。GaN适配器可以做得更小、更轻,大约每年有20亿美元左右的市场机会。

●   数据中心。据纳微测算,每年GaN功率芯片可以节省19亿美元左右的电费。

1637657068909182.png

●   太阳能发电。不仅可以把太阳能的逆变器放在家里非常小的地方,而且消费者可以用到更便宜的电力。

1637657096897330.png

图 太阳能发电的GaN与Si的比较

●   电动汽车。由于GaN有优异的特性,可以实现小型化。可以把汽车里的OBC、DC/DC做到更小、更轻。

1637657125494809.png

图:电动汽车中,GaN与Si的比较

可见,GaN是实现双碳的重要方式。据纳微基于对GaN与Si的总生命周期进行分析比较所做的估算,每出货1个GaN功率芯片,1年可以减少4 kg的CO2。主要原因是:①GaN使用能源的效率更高。例如,采用纳微GaNSenseTM技术,可使充电器效率达到92%~95%;也可降低待机功耗。②整个系统节省了很多外部的零件,例如用Si的方案做1台服务器电源,可能有1000个零件;用GaN可能只用600多个零件。节约了生产这些零部件的碳排放、废物。

3   GaN功率芯片在向化发展

GaN功率芯片主要以2个流派在发展,一个是eMode常开型的,纳微代表的是另一个分支——eMode常关型。相比传统的常关型的GaN功率器件,纳微又进一步做了,包括驱动、保护和控制的

1637657154865602.png

GaN功率芯片集成的优势如下。

①传统的Si器件参数不够优异,开关速率、开关频率都受到极大的限制,通常基于Si器件的电源系统设置都是在(60~100)kHz的开关频率范围,导致的结果是:因为开关频率较低,它的储能元件,相对电感电容用的尺寸比较大,电源的功率密度会相对较低,业界通常的功率密度小于0.5 W/cc。

②分立式GaN因为受限于驱动的线路的复杂性,如果没有把驱动集成到功率器件里,受限于外部器件的布局、布线参数的影响,开关频率没有发挥到GaN本来发挥到的高度。所以,对比于普通的Si器件大概只有二三倍开关频率的提升,可想而知功率密度的提升也是比较有限的。相比于传统的电源适配器或电源解决方案,尽管友商或者同行可以设计出较高的功率密度,但是远没达到1W/cc的数字。而纳微的功率GaN器件由于集成了控制、驱动和保护,由于不依赖于外部集成参数的影响,开关频率可以充分释放。例如在电源适配器方面,目前纳微主流的开关频率在300、400 kHz,模块电源方面已有客户设计到了MHz。目前很多纳微的客户方案已远远大于1W/cc。

1637657184425538.png

纳微的主流产品系列是GaNFastTM系列,是把驱动控制和基本保护集成在功率器件里。GaNSenseTM技术在GaNFastTM的基础上又做了性能的提升,包括无损的电流采样,待机功耗节省,还包括更多保护功能的集成(如下图)。

1637657211511087.png

4   GaNSenseTM的3个应用场景

1) 目前快充最火爆的QR Flyback的应用场景,可以代替掉原边的主管和采样电阻。

2) 升压PFC功能的电源。

如上2个拓扑,在90V输出条件下至少可以提升0.5%的能效。

3) 非对称半桥(AHB)。随着PD3.1充电标准的代入,非对称半桥这个拓扑一定会慢慢地火起来。如下拓扑里有2个芯片,作为主控管可以用GaNSenseTM,因为也需要采用电流,上管作为同步管可以用GaNFastTM系列代替(如下图)。

1637657239997206.png

截止纳微发布这个产品时候已经有一些客户在使用GaNSenseTM技术,并实现了量产。例如小米120W的GaN充电套装,目前是业界最小的120W解决方案,里面是PFC+QR Flyback的系统框架,已经使用了2颗NV6134 GaNSenseTM系列。相比于传统的之前已经量产的Si的方案,GaNSenseTM解决方案比Si方案提升了1.5%的效率。还有联想的YOGA 65W双USB-C充电器,也是采用了NB6134的解决方案。

1637657265705363.png

5   纳微的市场规划及独门技术

纳微与传统的GaN厂商有点不太一样。纳微一开始在消费类里边做起来,目前消费类是纳微最大的市场。但在纳微的未来5年规划中,服务器是第2步;第3步是工业类;第4步是汽车类发展,据悉,纳微已跟国外的汽车零部件生产公司有合作,并将与欧洲的某车厂启动一个大项目。

目前纳微还是以快充为主营业务。2019—2021年,纳微会把整个AC/DC布局布得更全,使GaNSenseTM会有更广阔的应用。

1637657290935602.png

纳微是全球首家,也是唯一一家集成GaN器件和驱动、控制和保护电路在一个芯片的公司。该产品有哪些技术壁垒?

“GaN行业的壁垒,一个是器件本身性能要做好,可靠性要做高,把实用性体现出来。这些最终会导致器件可靠性的因素是非常重要的特点,或者叫区别指标。”纳微高级应用总监黄秀成指出。

的确,在GaN上做芯片是纳微的原创,纳微从2014年起家时就开始研究GaN,2018年才推出第1款量产产品,迄今已经开发出了超过130多项关于功率芯片的专利。其技术壁垒包括怎样设计PDK,包括GaN,这是全新的一个领域,能在GaN上做逻辑电路、驱动电路,在简单的基础上怎么实现复杂的功能,这些都是有技术专利,难度非常高。

具体地,无损采样是纳微的专利,其采样和普通的电流采样方式是不一样的,纳微也有智能待机。

纳微的方式基于GaN去做芯片,也是全球首家。还有在GaN里面做OCP(过流保护)、OTP(过温保护)方式,也是纳微独有的技术,也在申请专利。在GaN的晶圆上做信号处理,做逻辑会相对困难,信号处理电路相对特殊。

1637657309742687.png

纳微半导体2021年10月在纳斯达克上市,上市当天的估值是10亿美元左右。

纳微中国大陆团队约有60多人,占全球40%的成员,现在超过50%的招聘人数以国内为主,公司70%以上的营收来自中国大陆。

1637657329243569.png

图 纳微新一代GaNFast™功率芯片,采用了专利的GaNSense™技术,具有更多功能



关键词: GaN 集成

评论


相关推荐

技术专区

关闭