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(zhǎng)期以來(lái),，在功率電源領(lǐng)域，處于常規(guī)的Si（硅）和熱門(mén)的SiC（碳化硅）應(yīng)用夾縫之間,。GaN產(chǎn)品的市場(chǎng)前景如何,？GaN技術(shù)有何新突破？

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　　不久前,，消費(fèi)類(lèi)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(zhuān)利的GaNSense?技術(shù)。值此機(jī)會(huì),，電子產(chǎn)品世界的記者采訪了銷(xiāo)售營(yíng)運(yùn)總監(jiān)李銘釗,、高級(jí)應(yīng)用總監(jiān)黃秀成、高級(jí)研發(fā)總監(jiān)徐迎春,。

　　從左至右：納微半導(dǎo)體的高級(jí)應(yīng)用總監(jiān)黃秀成,、銷(xiāo)售營(yíng)運(yùn)總監(jiān)李銘釗、高級(jí)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(kāi)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(duì)于實(shí)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(jī)節(jié)約20%左右,。

　　為何GaN過(guò)去沒(méi)有收到重視,？因?yàn)?0年前業(yè)界才開(kāi)始開(kāi)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(guò),，最近這幾年GaN通過(guò)設(shè)計(jì)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(fèi)類(lèi)、工業(yè)類(lèi)里,。

　　以目前開(kāi)拓消費(fèi)領(lǐng)域的納微為例,，現(xiàn)在已出貨3000萬(wàn)個(gè)GaN功率芯片，主要應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的充電器上,，現(xiàn)在全球超過(guò)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(jià)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(jià)格已經(jīng)非常接近Si了，預(yù)計(jì)2022年末到2023年,，在同等Rds（on）時(shí),，其GaN產(chǎn)品可以做到和Si成本相當(dāng)。但價(jià)格不等同成本,，會(huì)有策略,、戰(zhàn)略、體量等各方面的因素決定,，但是也會(huì)隨著成本而變化。

　　2）相比SiC的優(yōu)勢(shì)

　　SiC商業(yè)化已經(jīng)20多年了,，GaN商業(yè)化還不到5年時(shí)間,。因此人們對(duì)GaN未來(lái)完整的市場(chǎng)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(diǎn)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(zhǎng)高頻,，效率可以做得非常好。

　　例如,，特斯拉等車(chē)廠使用SiC做主驅(qū)等,，因?yàn)镾iC更適合做大功率,、更高端的應(yīng)用。

　　目前GaN在消費(fèi)領(lǐng)域做得非常好,，可以完全替代Si器件,；而SiC下探到消費(fèi)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(jí)不斷往上探,，已納微為例,，未來(lái)的布局有服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心,、電動(dòng)汽車(chē)等,。而且GaN往上探?jīng)]有限制，例如納微在2021年底或2022年就會(huì)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(lái)做模塊，例如3個(gè)die（晶片）或者更多die做橋壁,、并聯(lián)等,，很快功率等級(jí)會(huì)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(dòng)汽車(chē)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(kāi)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(jī)充電器。主要兩個(gè)原因,，①手機(jī)電池容量越來(lái)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(shí)間減少,，占位體積變小。②手機(jī)及相關(guān)電子設(shè)備使用越來(lái)越多,，有USB-A口,、USB-C口，多頭充電器市場(chǎng)很大,，這也是GaN擅長(zhǎng)發(fā)揮的領(lǐng)域,。

　　●   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(chǎng)機(jī)會(huì)。

　　●   數(shù)據(jù)中心,。據(jù)納微測(cè)算,，每年GaN功率芯片可以節(jié)省19億美元左右的電費(fèi)。

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

　　圖 太陽(yáng)能發(fā)電的GaN與Si的比較

　　●   電動(dòng)汽車(chē),。由于GaN有優(yōu)異的特性,，可以實(shí)現(xiàn)小型化?？梢园哑?chē)?yán)锏腛BC,、DC/DC做到更小、更輕,。

　　圖：電動(dòng)汽車(chē)中,，GaN與Si的比較

　　可見(jiàn)，GaN是實(shí)現(xiàn)雙碳的重要方式,。據(jù)納微基于對(duì)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(gè)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(gè)系統(tǒng)節(jié)省了很多外部的零件,，例如用Si的方案做1臺(tái)服務(wù)器電源，可能有1000個(gè)零件,；用GaN可能只用600多個(gè)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(gè)流派在發(fā)展,，一個(gè)是eMode常開(kāi)型的,，納微代表的是另一個(gè)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(dòng)、保護(hù)和控制的集成,。

　　GaN功率芯片集成的優(yōu)勢(shì)如下,。

　　①傳統(tǒng)的Si器件參數(shù)不夠優(yōu)異,，開(kāi)關(guān)速率,、開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率范圍,，導(dǎo)致的結(jié)果是：因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率較低，它的儲(chǔ)能元件,，相對(duì)電感電容用的尺寸比較大,，電源的功率密度會(huì)相對(duì)較低，業(yè)界通常的功率密度小于0.5 W/cc,。

　?、诜至⑹紾aN因?yàn)槭芟抻隍?qū)動(dòng)的線路的復(fù)雜性，如果沒(méi)有把驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)頻率沒(méi)有發(fā)揮到GaN本來(lái)發(fā)揮到的高度,。所以,，對(duì)比于普通的Si器件大概只有二三倍開(kāi)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(jì)出較高的功率密度，但是遠(yuǎn)沒(méi)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(dòng)和保護(hù)，由于不依賴(lài)于外部集成參數(shù)的影響,，開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率在300,、400 kHz,，模塊電源方面已有客戶(hù)設(shè)計(jì)到了MHz。目前很多納微的客戶(hù)方案已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1W/cc,。

　　納微的主流產(chǎn)品系列是GaNFastTM系列,，是把驅(qū)動(dòng)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(wú)損的電流采樣,，待機(jī)功耗節(jié)省,，還包括更多保護(hù)功能的集成（如下圖）。

　　4   GaNSenseTM的3個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景

　　1） 目前快充最火爆的QR Flyback的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)拓?fù)?，?0V輸出條件下至少可以提升0.5%的能效,。

　　3） 非對(duì)稱(chēng)半橋（AHB）。隨著PD3.1充電標(biāo)準(zhǔn)的代入,，非對(duì)稱(chēng)半橋這個(gè)拓?fù)湟欢〞?huì)慢慢地火起來(lái),。如下拓?fù)淅镉?個(gè)芯片，作為主控管可以用GaNSenseTM,，因?yàn)橐残枰捎秒娏?，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(gè)產(chǎn)品時(shí)候已經(jīng)有一些客戶(hù)在使用GaNSenseTM技術(shù),，并實(shí)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(chǎng)規(guī)劃及獨(dú)門(mén)技術(shù)

　　納微與傳統(tǒng)的GaN廠商有點(diǎn)不太一樣,。納微一開(kāi)始在消費(fèi)類(lèi)里邊做起來(lái)，目前消費(fèi)類(lèi)是納微最大的市場(chǎng),。但在納微的未來(lái)5年規(guī)劃中,，服務(wù)器是第2步；第3步是工業(yè)類(lèi),；第4步是汽車(chē)類(lèi)發(fā)展,，據(jù)悉，納微已跟國(guó)外的汽車(chē)零部件生產(chǎn)公司有合作,，并將與歐洲的某車(chē)廠啟動(dòng)一個(gè)大項(xiàng)目,。

　　目前納微還是以快充為主營(yíng)業(yè)務(wù),。2019—2021年,，納微會(huì)把整個(gè)AC/DC布局布得更全,，使GaNSenseTM會(huì)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(dòng),、控制和保護(hù)電路在一個(gè)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(gè)是器件本身性能要做好，可靠性要做高,，把實(shí)用性體現(xiàn)出來(lái),。這些最終會(huì)導(dǎo)致器件可靠性的因素是非常重要的特點(diǎn)，或者叫區(qū)別指標(biāo),?！奔{微高級(jí)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(shí)就開(kāi)始研究GaN，2018年才推出第1款量產(chǎn)產(chǎn)品,，迄今已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了超過(guò)130多項(xiàng)關(guān)于功率芯片的專(zhuān)利,。其技術(shù)壁壘包括怎樣設(shè)計(jì)PDK，包括GaN,，這是全新的一個(gè)領(lǐng)域,，能在GaN上做邏輯電路、驅(qū)動(dòng)電路,，在簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)上怎么實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能,，這些都是有技術(shù)專(zhuān)利，難度非常高,。

　　具體地,，無(wú)損采樣是納微的專(zhuān)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(jī),。

　　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(guò)流保護(hù)）,、OTP（過(guò)溫保護(hù)）方式，也是納微獨(dú)有的技術(shù),，也在申請(qǐng)專(zhuān)利,。在GaN的晶圓上做信號(hào)處理，做邏輯會(huì)相對(duì)困難，信號(hào)處理電路相對(duì)特殊,。

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

　　納微中國(guó)大陸團(tuán)隊(duì)約有60多人,，占全球40%的成員,，現(xiàn)在超過(guò)50%的招聘人數(shù)以國(guó)內(nèi)為主，公司70%以上的營(yíng)收來(lái)自中國(guó)大陸,。

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