GaN（氮化鎵）作為新興的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，以高頻,、高壓等為特色,。但是長期以來,，在功率電源領(lǐng)域，處于常規(guī)的Si（硅）和熱門的SiC（碳化硅）應(yīng)用夾縫之間,。GaN產(chǎn)品的市場前景如何,？GaN技術(shù)有何新突破？

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

　　不久前,，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,，采用了專利的GaNSense?技術(shù)。值此機會,，電子產(chǎn)品世界的記者采訪了銷售營運總監(jiān)李銘釗,、高級應(yīng)用總監(jiān)黃秀成、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、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的特性與傳統(tǒng)Si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,，如果搭配快充的方案，充電速度提升3倍以上,。而且成本也很合理,，相比Si的BOM方案，系統(tǒng)待機節(jié)約20%左右,。

　　為何GaN過去沒有收到重視,？因為20年前業(yè)界才開始開發(fā)GaN材料，而Si芯片在1970年代已經(jīng)有了,，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)能的提升,、成本的控制,，慢慢地落地到應(yīng)用在消費類、工業(yè)類里,。

　　以目前開拓消費領(lǐng)域的納微為例,，現(xiàn)在已出貨3000萬個GaN功率芯片，主要應(yīng)用于消費類產(chǎn)品的充電器上,，現(xiàn)在全球超過140款量產(chǎn)中的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,，會有策略,、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?，F(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、功率等的等級不斷往上探,，已納微為例,，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20mΩ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10kW到20kW、30kW……據(jù)電子產(chǎn)品世界記者所知,，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器件本身相比，GaN每次開關(guān)能量的損耗可以更低,。所以GaN相比于SiC更節(jié)能,。

　　2   GaN的應(yīng)用領(lǐng)域

　　●   手機充電器。主要兩個原因,，①手機電池容量越來越大,，從以前的可能2000mAH左右，到現(xiàn)在已經(jīng)到5000mAH,。GaN可以讓充電時間減少,，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擅長發(fā)揮的領(lǐng)域,。

　　●   電源適配器?？捎糜谄矫骐娨?、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機會。

　　●   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。

　　●   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。

　　圖 太陽能發(fā)電的GaN與Si的比較

　　●   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,、DC/DC做到更小、更輕,。

　　圖：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：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)省了很多外部的零件,，例如用Si的方案做1臺服務(wù)器電源,，可能有1000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,、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常開型的,，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)頻率都受到極大的限制，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，它的儲能元件,，相對電感電容用的尺寸比較大,，電源的功率密度會相對較低，業(yè)界通常的功率密度小于0.5 W/cc,。

　?、诜至⑹紾aN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本來發(fā)揮到的高度,。所以,，對比于普通的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,。相比于傳統(tǒng)的電源適配器或電源解決方案,，盡管友商或者同行可以設(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，由于不依賴于外部集成參數(shù)的影響,，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1W/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,，包括無損的電流采樣,，待機功耗節(jié)省,，還包括更多保護功能的集成（如下圖）。

　　4   GaNSenseTM的3個應(yīng)用場景

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

　　2） 升壓PFC功能的電源。

　　如上2個拓撲,，在90V輸出條件下至少可以提升0.5%的能效,。

　　3） 非對稱半橋（AHB）。隨著PD3.1充電標準的代入,，非對稱半橋這個拓撲一定會慢慢地火起來,。如下拓撲里有2個芯片，作為主控管可以用GaNSenseTM,，因為也需要采用電流,，上管作為同步管可以用GaNFastTM系列代替（如下圖）。

　　截止納微發(fā)布這個產(chǎn)品時候已經(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120W的GaN充電套裝，目前是業(yè)界最小的120W解決方案,，里面是PFC+QR Flyback的系統(tǒng)框架,，已經(jīng)使用了2顆NV6134 GaNSenseTM系列。相比于傳統(tǒng)的之前已經(jīng)量產(chǎn)的Si的方案,，GaNSenseTM解決方案比Si方案提升了1.5%的效率,。還有聯(lián)想的YOGA 65W雙USB-C充電器，也是采用了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,。納微一開始在消費類里邊做起來，目前消費類是納微最大的市場,。但在納微的未來5年規(guī)劃中,，服務(wù)器是第2步；第3步是工業(yè)類,；第4步是汽車類發(fā)展,，據(jù)悉，納微已跟國外的汽車零部件生產(chǎn)公司有合作,，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布局布得更全,，使GaNSenseTM會有更廣闊的應(yīng)用。

　　納微是全球首家,，也是唯一一家集成GaN器件和驅(qū)動,、控制和保護電路在一個芯片的公司,。該產(chǎn)品有哪些技術(shù)壁壘？

　　“GaN行業(yè)的壁壘,，一個是器件本身性能要做好，可靠性要做高,，把實用性體現(xiàn)出來,。這些最終會導(dǎo)致器件可靠性的因素是非常重要的特點，或者叫區(qū)別指標,?！奔{微高級應(yīng)用總監(jiān)黃秀成指出。

　　的確,，在GaN上做芯片是納微的原創(chuàng),，納微從2014年起家時就開始研究GaN，2018年才推出第1款量產(chǎn)產(chǎn)品,，迄今已經(jīng)開發(fā)出了超過130多項關(guān)于功率芯片的專利,。其技術(shù)壁壘包括怎樣設(shè)計PDK，包括GaN,，這是全新的一個領(lǐng)域,，能在GaN上做邏輯電路、驅(qū)動電路,，在簡單的基礎(chǔ)上怎么實現(xiàn)復(fù)雜的功能,，這些都是有技術(shù)專利，難度非常高,。

　　具體地,，無損采樣是納微的專利，其采樣和普通的電流采樣方式是不一樣的,，納微也有智能待機,。

　　納微的方式基于GaN去做芯片，也是全球首家,。還有在GaN里面做OCP（過流保護）,、OTP（過溫保護）方式，也是納微獨有的技術(shù),，也在申請專利,。在GaN的晶圓上做信號處理，做邏輯會相對困難,，信號處理電路相對特殊,。

　　納微半導(dǎo)體2021年10月在納斯達克上市，上市當天的估值是10億美元左右,。

　　納微中國大陸團隊約有60多人,，占全球40%的成員,，現(xiàn)在超過50%的招聘人數(shù)以國內(nèi)為主，公司70%以上的營收來自中國大陸,。

　　圖 納微新一代GaNFast?功率芯片,，采用了專利的GaNSense?技術(shù)，具有更多功能