隨著蘋果新一代的140W氮化鎵（GaN）快充面世，GaN進一步走進了大眾視線,。GaN具備超過硅20倍的開關(guān)速度,，3倍的禁帶寬度,。天然的優(yōu)勢可以讓整體的電源設(shè)計功率密度更高，讓整體電源方案體積和重量更小,。但GaN作為一種新材料器件,，要發(fā)揮其真正的優(yōu)勢，仍需要很多的新的技術(shù)積累來支撐,?！胺蛛xGaN電源方案可以將功率密度提升到傳統(tǒng)硅方案的2倍3倍，但遠未能達到1W/cc的數(shù)字,?！?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/納微半導體" target="_blank">納微半導體高級應用總監(jiān)黃秀成分享到，“納微半導體的集成方案可以將GaN的開關(guān)頻率和速度優(yōu)勢充分釋放,，我們的很多案例已經(jīng)遠大于1W/cc,。”近日Navitas納微半導體發(fā)布了全新的GaNSense技術(shù),，在GaNFast的基礎(chǔ)上進一步提升了集成度,。
GaNFast：集成方案才能發(fā)揮GaN潛力
目前功率GaN有兩個主要的流派，如下圖所示,，一個是dMode常開型,，這種技術(shù)路線需要在GaN之外增加額外的硅FET級聯(lián)配置,，也可以將其與控制器、GaN合封在一起組成集成的方案,。另一種是eMode常關(guān)型,，需要特殊的柵極驅(qū)動器來驅(qū)動GaN。在eMode常關(guān)型這條技術(shù)路線上,，將控制,、驅(qū)動和保護等集成在一個芯片上的集成方案，以納微半導體的GaNFast為代表,。據(jù)黃秀成分享,，氮化鎵驅(qū)動線路復雜性較高，分立方案沒有把驅(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)揮到氮化鎵本來發(fā)揮到的高度,。GaNFast集成了控制,、驅(qū)動和保護在里面，就可以不依賴于外部集成參數(shù)影響,，所以設(shè)計出來的功率密度比傳統(tǒng)的硅或者分立式的氮化鎵高得多,。
但GaNFast并不是常開型GaN功率器件高度集成的終點。在納微半導體美股上市不到一個月后,，GaNSense新技術(shù)就重磅發(fā)布,，為GaNFast集成了更多具有競爭力的功能：無損電流采樣、過流保護,、過溫保護和智能待機,。
全新GaNSense技術(shù)：GaN功率方案集成度更進一步
GaNSense新技術(shù)加持的GaNFast功率芯片，在四大方面實現(xiàn)了智能化的GaN方案突破,。
無損電流采樣的方式是通過采集GaN晶元上某些具有代表性cell的電流信號，然后經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換,，最終以一種電流源的輸出到外部的可編程電阻上,，通過調(diào)節(jié)電阻大小來復現(xiàn)出流經(jīng)GaN的電流。據(jù)黃秀成分享,，以NV6134這一型號產(chǎn)品舉例,，雖然規(guī)格書中標注的是4～5%的證書偏差，但經(jīng)過上千個測試結(jié)果顯示,，采樣誤差大概在正負1.36%以內(nèi),，采樣精度非常高。
這種無損電流采樣的方案可以將傳統(tǒng)方案中采樣電阻取消,，這一損耗完全節(jié)省下來,， 回路的通態(tài)損耗也會減半,，從而達到能效提升的效果；另外也進一步節(jié)省了PCB面積,，實現(xiàn)更靈活和緊湊的布局,；去掉之后的熱系數(shù)也會更好 ，耦合系數(shù)更低,，器件本身工作溫度低了之后,，系統(tǒng)整體效率也會提升。
過流保護是基于采樣信號在GaN功率芯片內(nèi)部設(shè)定一個過流閾值,。傳統(tǒng)的分立方案,、包括之前的GaNFast的集成方案，都是需要在外部連接一個采樣電阻來判斷是否發(fā)生過流情況,?？刂破鳛榱吮苊庠肼暤膯栴}，回設(shè)置一個300ns的delay,。而現(xiàn)在GaNSense在內(nèi)部的閾值反應時間是遠遠<100ns,，節(jié)省出來的200ns就可以避免系統(tǒng)因為短路、過功率等異常情況造成的變壓器電流急劇上升這樣的惡化情況,。
據(jù)黃秀成分享,，如果電流信號觸碰到內(nèi)部設(shè)置的閾值，不管外部控制器的PWM信號時高還是低,，都會直接關(guān)斷,，從而保護系統(tǒng)里面的串流電流不回繼續(xù)擴充超過閾值。這是一種逐周期的保護方式,， 精準控制過流點在閾值以內(nèi),。
過溫保護的方式同樣是采集GaN晶元的溫度，當溫度超過設(shè)定閾值之后,，不論外部PWM控制信號是高還是低都直接關(guān)斷芯片,，讓芯片自然冷卻。芯片冷卻到閾值溫度以下后,，才會重新參考外部的PWM信號,，判斷是否需要繼續(xù)工作。這區(qū)別于過流保護,，并非以一種逐周期的方式,，但可以在區(qū)間內(nèi)精準控制節(jié)溫的范圍。
智能待機功能是在GaNFast之前的技術(shù)基礎(chǔ)上更進了一步,。早期的GaNFast雖然內(nèi)部靜態(tài)電流僅為700u～1mA,，但為了追求更好的待機功耗，仍需要在外部布置線路,，在待機時將VCC切斷,，實現(xiàn)芯片功耗降低?，F(xiàn)在的GaNSense技術(shù)更加完善，通過智能檢測PWM信號來讓芯片進入待機模式,。當芯片檢測到PWM信號表現(xiàn)為非工作頻率的周期模式時,，就會讓芯片進入待機模式，這時候待機電流會從1mA左右降低到100uA左右,。另外喚醒的速度也非常關(guān)鍵,，GaNSense加持的新一代GaNFast可以在30ns內(nèi)讓芯片重新回到正常工作模式。據(jù)黃秀成分享,，在同一個平臺上,，用GaNSense加持的新一代GaNFast替代早期的GaNFast芯片后，可以實現(xiàn)6～7mW的功耗節(jié)省,，待機功耗境地接近20%,，這是非常出色的表現(xiàn)。
從研發(fā),、生產(chǎn)到全鏈AE支持：納微助力GaN客戶創(chuàng)新
從上文中GaNSense的技術(shù)細節(jié)介紹中我們可以看到,，很多技術(shù)都需要在晶元層面上實現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的硅芯片廠商而言,，這是一種全新的技術(shù)積累,，在Si、SiC器件上的一些技術(shù)積累并不能夠在GaN的設(shè)計上直接使用,，而且GaN的這些技術(shù)創(chuàng)新需要晶圓廠的密切配合,，一起進行工藝的設(shè)計改良。據(jù)納微半導體銷售營運總監(jiān)李銘釗介紹,，納微現(xiàn)在主要是在臺積電的2號工廠里生產(chǎn),，主要生產(chǎn)6寸的晶圓。在封裝部分,，采用全球前三名的封裝廠商,，品質(zhì)控制做到零故障。現(xiàn)在累計出貨三千萬顆氮化鎵功率芯片,，確定零故障,。產(chǎn)出良率能力90%以上，交付的時間是12周左右,。
在產(chǎn)業(yè)鏈的上下游合作上，納微半導體也一直緊密合作,。據(jù)徐迎春分享,，在納微半導體的最早期產(chǎn)品研發(fā)階段，就有很多磁芯廠家送磁芯給黃秀成博士評估,，如何將其應用到氮化鎵領(lǐng)域,，還包括磁芯,、磁環(huán)、濾波器和變壓器等,，是非常重要一塊,，在電源中占25%的成本。第二是電解電容,，納微半導體與頭部廠商合作,，獲得定制化的產(chǎn)品來應用到GaN中。第三是PCB和平板變壓器等非常核心的技術(shù),，也是黃秀成博士在引領(lǐng),。正是這些整個上游生態(tài)圈的密切串聯(lián)，才能夠讓下游終端客戶和ODM客戶可以專注于其產(chǎn)品研發(fā),。
GaN這樣一種全新器件也會帶來一種全新的設(shè)計,，所以對于客戶而言，支持的工作也同樣重要,。納微在中國部署了強大的AE團隊,，從客戶的需求的定制、需求的討論,，到原理圖的繪制,，到整個布版的設(shè)計，到結(jié)構(gòu)的裝配性,，一直到EVT（電器性能樣機測試）,，到最后整個詳細設(shè)計階段EMI的調(diào)試，一直到小批量的試產(chǎn),，中批量的試產(chǎn),，到大批量的量產(chǎn)，納微都提供全程的服務(wù),。在這種支持下,，目前已經(jīng)量產(chǎn)的GaN充電器項目達到了140多例，正在研發(fā)的超過150例,，獲得了超過90%的品牌商認可,。
功率GaN的應用不止于快充
GaN功率器件雖然目前在消費類的快充上應用較多，但其實其優(yōu)異的特性并不僅僅局限于快充,，在數(shù)據(jù)中心,、電動汽車等應用上也驅(qū)動其創(chuàng)新。納微半導體也不僅僅只是想做一個快充功率方案的提供商,，而是會繼續(xù)面向數(shù)據(jù)中心和汽車等方向發(fā)力,。據(jù)李銘釗介紹，傳統(tǒng)GaN的廠商都是從工業(yè)類、汽車類這邊開始來做,，納微半導體跟一開始GaN的廠商不一樣,，是先從消費類開始鋪墊，把整體GaN的量沖起來,，在市場里邊印證技術(shù),、建立產(chǎn)能和周邊的生態(tài)圈。通過大量消費類應用的巨大市場,，拉動整個產(chǎn)業(yè)鏈跟上,。在納微未來5年的計劃中，服務(wù)器就是第二步,，第三步工業(yè)類,，第四步汽車類發(fā)展。
歐盟要求到2023年數(shù)據(jù)中心的效率曲線最高效率點要提升到96%,，要實現(xiàn)這樣的表現(xiàn),，傳統(tǒng)的硅拓撲會增加非常多的成本。而GaN的方案會有更好的成本和性能的表現(xiàn),，可以為其每年節(jié)省19億的電費,。因此納微半導體將數(shù)據(jù)中心作為其消費類快充市場拿下之后的第二個主要應用方向，并且已經(jīng)成立了專門的團隊,。
此外在太陽能領(lǐng)域,，通過GaN的方案可以將逆變器的體積變成更小，將其成本實現(xiàn)25%以上的降低 ,，40%以上的節(jié)能,，將投資回報周期縮短，從而推動住宅太陽能的應用,。據(jù)悉該市場機會對于GaN功率芯片而言將會是10億美元/年的規(guī)模,。
在電動汽車領(lǐng)域上， GaN的主要發(fā)力點是OBC和DC/DC部分,。目前GaNFast的一些專利技術(shù),，譬如OCP、OTP的保護等,，都可以應用到汽車應用上,。但譬如無損采樣等，需要添加一些隔離的功能才能夠滿足汽車的應用要求,。目前納微半導體也已經(jīng)在這方面開始進行研發(fā),。據(jù)悉納微半導體和國外的汽車零件生產(chǎn)公司已經(jīng)有一個合作，并將與歐洲的汽車生產(chǎn)商啟動一個大的項目,。
“現(xiàn)在是氮化鎵不斷往上走,，電壓等級,、電流等級，功率等級,，不斷往上探，所以納微未來的布局有服務(wù)器,、數(shù)據(jù)中心,、EV等等，我們不斷把氮化鎵往上探,?！秉S秀成分享到，“本身氮化鎵往上探?jīng)]有限制,，我們在年底或明年就會出小于20毫歐的器件,，這意味著我們可以做到單體3.3千瓦到5千瓦的功率，未來我們做這個模塊,，比如3個die,，或者幾個die，做橋壁做并聯(lián)等等,，很快功率等級從10千瓦到20千瓦,、30千W，EV充電樁,，甚至電動汽車的主驅(qū),，都是在我們的規(guī)劃當中，那個時候看氮化鎵完全是另外一個基調(diào),，這是我們對未來市場的判斷,。”
總結(jié)
GaNSense新技術(shù)的加持,，讓新一代的GaNFast芯片的集成度進一步提升,，智能化的程度提升?；诖?，客戶的整體方案設(shè)計也可以變成更為簡潔和高效。正如納微半導體遠瞻,，從消費類市場對GaN芯片需求起量之后,， 未來GaN將會在更多應用領(lǐng)域發(fā)揮其價值。再過五年,，十年,，GaN的芯片應用會是更大的一個市場。
備注：GaNSense,、GaNFast均為納微半導體注冊商標
