GaN功率芯片走向成熟,纳微GaNSense开启智能集成时代

  作者:迎九 时间:2021-11-23来源:电子产品世界

2021 年11 月,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GaNSense™ 专利技术。值此机会,必威娱乐平台 采访了销售营运总监李铭钊、高级应用总监黄秀成和高级研发总监徐迎春。

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从上至下:纳微半导体的高级应用总监黄秀成、销售营运总监李铭钊和高级研发总监徐迎春

1   GaN是高频高压的减碳之选

1)有望在电力应用中取代Si

GaN(氮化镓)的特性与传统Si(硅)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(物料清单)方案,系统待机节约20% 左右。

为何GaN 过去没有受到重视?因为20 年前业界才开始开发GaN 材料,而Si 芯片在20 世纪70 年代开始流行,比GaN 早了30 年以上。不过,最近这几年GaN通过设计优化、产能提升、成本控制,慢慢落地应用在消费类、工业类电子产品里。

以目前开拓消费领域的纳微为例,现在已出货3 000 万个GaN 功率芯片,主要应用于消费类产品的充电器,现在全球超过140 款量产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,会由策略、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(碳化硅)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20 mΩ 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10 kW 到20 kW、30 kW……据必威娱乐平台 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 器件相比,GaN每次开关能量的损耗可以更低。所以GaN 相比SiC 更节能。

2   GaN的应用领域

1)手机充电器。主要有2 个原因,①手机电池容量越来越大,从以前的可能2 000 mA·H 左右,到现在已经到5 000 mA·H。GaN 可以减少充电时间,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 擅长的领域。

2)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。

3)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(如图1)。

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图1 数据中心采用GaN的能效推测(来源:纳微半导体)

4)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(如图2)。

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5)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(车载充电机)、DC/DC(直流/ 直流)做到更小、更轻(图3)。

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图3 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:① GaN 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零件,例如用Si 的方案做1 台服务器电源,可能有1 000 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和废物。

3   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,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,其储能元件电感电容的尺寸比较大,电源的功率密度相对较低,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本来应有的高度。所以,相比普通的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。相比传统的电源适配器或电源解决方案,尽管友商或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,不依赖于外部集成参数,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1 W/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,包括无损电流采样、待机功耗节省,还包括更多保护功能的集成。

4   GaNSenseTM的3个应用场景

1)目前快充最火爆的QR Flyback(准谐振)的应用场景,可以代替原边的主管和采样电阻。

2)升压PFC 功能的电源。

3)非对称半桥(AHB)。随着PD3.1 充电标准的引入,非对称半桥拓扑一定会慢慢增加。

截止纳微发布这个产品,已经有一些客户在使用GaNSenseTM 技术, 并实现了量产。例如小米120 WGaN 充电套装,目前是业界最小的120 W 解决方案,里面是PFC+QR Flyback 系统框架,已经使用了2 颗NV6134 GaNSenseTM 系列。相比之前已经量产的传统Si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 65 W 双USB-C 充电器,也采用了NB6134 的解决方案。

5   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。纳微一开始从消费类做起,目前消费类是其最大的市场。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。据悉,纳微已与国外汽车零部件生产公司合作,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(交流- 直流)布局布得更全,使GaNSenseTM 有更广阔的应用。

(本文来源于必威娱乐平台 杂志2022年1月期)

关键词: GaN 集成 202201

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