纳微GaNSense开启GaN功率芯片智能集成新纪元

GaN（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。GaN产品的市场前景如何？GaN技术有何新突破？

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。

从左至右依次是：

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

01

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。

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，以纳微为例，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。

02

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。

●   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。

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。

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。

03

GaN功率芯片在向集成化发展

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，纳微又进一步做了集成，包括驱动、保护和控制的集成。

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。

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）。

04

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）。

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。

05

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。

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。

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。

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