GaN（氮化鎵）作為新興的第三代寬禁帶半導體材料，以高頻、高壓等為特色。但是長期以來，在功率電源領(lǐng)域，處于常規(guī)的Si（硅）和熱門的SiC（碳化硅）應用夾縫之間。GaN產(chǎn)品的市場前景如何？GaN技術(shù)有何新突破？
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不久前，消費類GaN（氮化鎵）功率解決方案供應商——納微半導體宣布推出全球首款智能GaNFast?功率芯片，采用了專利的GaNSense?技術(shù)。值此機會，電子產(chǎn)品世界的記者采訪了銷售營運總監(jiān)李銘釗、高級應用總監(jiān)黃秀成、高級研發(fā)總監(jiān)徐迎春。
從左至右：納微半導體的高級應用總監(jiān)黃秀成、銷售營運總監(jiān)李銘釗、高級研發(fā)總監(jiān)徐迎春
1 GaN是高頻高壓的減碳之選
1）有望在電力應用中取代Si
GaN的特性與傳統(tǒng)Si有很大區(qū)別，例如開關(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%。這是非常可觀的，對于實現(xiàn)雙碳目標很有助益。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)待機節(jié)約20%左右。
為何GaN過去沒有收到重視？因為20年前業(yè)界才開始開發(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，最近這幾年GaN通過設計優(yōu)化、產(chǎn)能的提升、成本的控制，慢慢地落地到應用在消費類、工業(yè)類里。
以目前開拓消費領(lǐng)域的納微為例，現(xiàn)在已出貨3000萬個GaN功率芯片，主要應用于消費類產(chǎn)品的充電器上，現(xiàn)在全球超過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)品成本和價格已經(jīng)非常接近Si了，預計2022年末到2023年，在同等Rds（on）時，其GaN產(chǎn)品可以做到和Si成本相當。但價格不等同成本，會有策略、戰(zhàn)略、體量等各方面的因素決定，但是也會隨著成本而變化。
2）相比SiC的優(yōu)勢
SiC商業(yè)化已經(jīng)20多年了，GaN商業(yè)化還不到5年時間。因此人們對GaN未來完整的市場布局并不是很清楚。
SiC的材料特性是能夠耐高壓、耐熱，但是缺點是頻率不能高，所以只能做到效率提升，不能做到器件很小。現(xiàn)在很多要做得很小，要控制成本。而GaN擅長高頻，效率可以做得非常好。
例如，特斯拉等車廠使用SiC做主驅(qū)等，因為SiC更適合做大功率、更高端的應用。
目前GaN在消費領(lǐng)域做得非常好，可以完全替代Si器件；而SiC下探到消費領(lǐng)域非常難。
現(xiàn)在是GaN不斷往上走，電壓、電流、功率等的等級不斷往上探，已納微為例，未來的布局有服務器、數(shù)據(jù)中心、電動汽車等。而且GaN往上探?jīng)]有限制，例如納微在2021年底或2022年就會推出小于20mΩ的器件，意味著可以做到單體（3.3~ 5）kW的功率，未來做模塊，例如3個die（晶片）或者更多die做橋壁、并聯(lián)等，很快功率等級會從10kW到20kW、30kW……據(jù)電子產(chǎn)品世界記者所知，已有GaN模塊供應商推出了電動汽車的充電樁方案、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的應用領(lǐng)域
● 手機充電器。主要兩個原因，①手機電池容量越來越大，從以前的可能2000mAH左右，到現(xiàn)在已經(jīng)到5000mAH。GaN可以讓充電時間減少，占位體積變小。②手機及相關(guān)電子設備使用越來越多，有USB-A口、USB-C口，多頭充電器市場很大，這也是GaN擅長發(fā)揮的領(lǐng)域。
● 電源適配器。可用于平面電視、游戲機、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機會。
● 數(shù)據(jù)中心。據(jù)納微測算，每年GaN功率芯片可以節(jié)省19億美元左右的電費。
● 太陽能發(fā)電。不僅可以把太陽能的逆變器放在家里非常小的地方，而且消費者可以用到更便宜的電力。
圖 太陽能發(fā)電的GaN與Si的比較
● 電動汽車。由于GaN有優(yōu)異的特性，可以實現(xiàn)小型化。可以把汽車里的OBC、DC/DC做到更小、更輕。
圖：電動汽車中，GaN與Si的比較
可見，GaN是實現(xiàn)雙碳的重要方式。據(jù)納微基于對GaN與Si的總生命周期進行分析比較所做的估算，每出貨1個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)，可使充電器效率達到92%~95%；也可降低待機功耗。②整個系統(tǒng)節(jié)省了很多外部的零件，例如用Si的方案做1臺服務器電源，可能有1000個零件；用GaN可能只用600多個零件。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個流派在發(fā)展，一個是eMode常開型的，納微代表的是另一個分支——eMode常關(guān)型。相比傳統(tǒng)的常關(guān)型的GaN功率器件，納微又進一步做了集成，包括驅(qū)動、保護和控制的集成。
GaN功率芯片集成的優(yōu)勢如下。
①傳統(tǒng)的Si器件參數(shù)不夠優(yōu)異，開關(guān)速率、開關(guān)頻率都受到極大的限制，通常基于Si器件的電源系統(tǒng)設置都是在（60~100）kHz的開關(guān)頻率范圍，導致的結(jié)果是：因為開關(guān)頻率較低，它的儲能元件，相對電感電容用的尺寸比較大，電源的功率密度會相對較低，業(yè)界通常的功率密度小于0.5 W/cc。
②分立式GaN因為受限于驅(qū)動的線路的復雜性，如果沒有把驅(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GaN本來發(fā)揮到的高度。所以，對比于普通的Si器件大概只有二三倍開關(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計出較高的功率密度，但是遠沒達到1W/cc的數(shù)字。而納微的功率GaN器件由于集成了控制、驅(qū)動和保護，由于不依賴于外部集成參數(shù)的影響，開關(guān)頻率可以充分釋放。例如在電源適配器方面，目前納微主流的開關(guān)頻率在300、400 kHz，模塊電源方面已有客戶設計到了MHz。目前很多納微的客戶方案已遠遠大于1W/cc。
納微的主流產(chǎn)品系列是GaNFastTM系列，是把驅(qū)動控制和基本保護集成在功率器件里。GaNSenseTM技術(shù)在GaNFastTM的基礎(chǔ)上又做了性能的提升，包括無損的電流采樣，待機功耗節(jié)省，還包括更多保護功能的集成（如下圖）。
4 GaNSenseTM的3個應用場景
1） 目前快充最火爆的QR Flyback的應用場景，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個拓撲，在90V輸出條件下至少可以提升0.5%的能效。
3） 非對稱半橋（AHB）。隨著PD3.1充電標準的代入，非對稱半橋這個拓撲一定會慢慢地火起來。如下拓撲里有2個芯片，作為主控管可以用GaNSenseTM，因為也需要采用電流，上管作為同步管可以用GaNFastTM系列代替（如下圖）。
截止納微發(fā)布這個產(chǎn)品時候已經(jīng)有一些客戶在使用GaNSenseTM技術(shù)，并實現(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 納微的市場規(guī)劃及獨門技術(shù)
納微與傳統(tǒng)的GaN廠商有點不太一樣。納微一開始在消費類里邊做起來，目前消費類是納微最大的市場。但在納微的未來5年規(guī)劃中，服務器是第2步；第3步是工業(yè)類；第4步是汽車類發(fā)展，據(jù)悉，納微已跟國外的汽車零部件生產(chǎn)公司有合作，并將與歐洲的某車廠啟動一個大項目。
目前納微還是以快充為主營業(yè)務。2019—2021年，納微會把整個AC/DC布局布得更全，使GaNSenseTM會有更廣闊的應用。
納微是全球首家，也是唯一一家集成GaN器件和驅(qū)動、控制和保護電路在一個芯片的公司。該產(chǎn)品有哪些技術(shù)壁壘？
“GaN行業(yè)的壁壘，一個是器件本身性能要做好，可靠性要做高，把實用性體現(xiàn)出來。這些最終會導致器件可靠性的因素是非常重要的特點，或者叫區(qū)別指標。”納微高級應用總監(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年起家時就開始研究GaN，2018年才推出第1款量產(chǎn)產(chǎn)品，迄今已經(jīng)開發(fā)出了超過130多項關(guān)于功率芯片的專利。其技術(shù)壁壘包括怎樣設計PDK，包括GaN，這是全新的一個領(lǐng)域，能在GaN上做邏輯電路、驅(qū)動電路，在簡單的基礎(chǔ)上怎么實現(xiàn)復雜的功能，這些都是有技術(shù)專利，難度非常高。
具體地，無損采樣是納微的專利，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。
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（過流保護）、OTP（過溫保護）方式，也是納微獨有的技術(shù)，也在申請專利。在GaN的晶圓上做信號處理，做邏輯會相對困難，信號處理電路相對特殊。
納微半導體2021年10月在納斯達克上市，上市當天的估值是10億美元左右。
納微中國大陸團隊約有60多人，占全球40%的成員，現(xiàn)在超過50%的招聘人數(shù)以國內(nèi)為主，公司70%以上的營收來自中國大陸。
圖 納微新一代GaNFast?功率芯片，采用了專利的GaNSense?技術(shù)，具有更多功能
