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？
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202111/429847.htm
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(fǎng)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%。這是非常可觀(guān)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(chǎng)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?？捎糜谄矫骐娨?、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。
?、賯鹘y(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(xiàn)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(xiàn)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(chǎng)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(chǎng)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)。”納微高級(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
