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，在功率電源領域，處于常規的Si（硅）和熱門的SiC（碳化硅）應用夾縫之間。GaN產品的市場前景如何？GaN技術有何新突破？
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。值此機會，電子產品世界的記者采訪了銷售營運總監李銘釗、高級應用總監黃秀成、高級研發總監徐迎春。
從左至右：納微半導體的高級應用總監黃秀成、銷售營運總監李銘釗、高級研發總監徐迎春
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Si有很大區別，例如開關速度比Si快20倍，體積和重量更小，某些系統里可以節能約40%。這是非常可觀的，對于實現雙碳目標很有助益。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，系統待機節約20%左右。
為何GaN過去沒有收到重視？因為20年前業界才開始開發GaN材料，而Si芯片在1970年代已經有了，比GaN早了30年以上。不過，最近這幾年GaN通過設計優化、產能的提升、成本的控制，慢慢地落地到應用在消費類、工業類里。
以目前開拓消費領域的納微為例，現在已出貨3000萬個GaN功率芯片，主要應用于消費類產品的充電器上，現在全球超過140款量產中的充電器采用納微的方案，大約150款產品處于研發中。
在價格上，Si基GaN的成本在逐漸降低。例如納微的產品成本和價格已經非常接近Si了，預計2022年末到2023年，在同等Rds（on）時，其GaN產品可以做到和Si成本相當。但價格不等同成本，會有策略、戰略、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的優勢
SiC商業化已經20多年了，GaN商業化還不到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做主驅等，因為SiC更適合做大功率、更高端的應用。
目前GaN在消費領域做得非常好，可以完全替代Si器件；而SiC下探到消費領域非常難。
現在是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、數據中心、電動汽車等。而且GaN往上探沒有限制，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、并聯等，很快功率等級會從10kW到20kW、30kW……據電子產品世界記者所知，已有GaN模塊供應商推出了電動汽車的充電樁方案、主驅等；納微也有此方面的規劃。
從器件本身特征看，與Si和SiC器件本身相比，GaN每次開關能量的損耗可以更低。所以GaN相比于SiC更節能。
2 GaN的應用領域
● 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，到現在已經到5000mAH。GaN可以讓充電時間減少，占位體積變小。②手機及相關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擅長發揮的領域。
● 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。
● 數據中心。據納微測算，每年GaN功率芯片可以節省19億美元左右的電費。
● 太陽能發電。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 太陽能發電的GaN與Si的比較
● 電動汽車。由于GaN有優異的特性，可以實現小型化。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是實現雙碳的重要方式。據納微基于對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，可使充電器效率達到92%~95%；也可降低待機功耗。②整個系統節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。節約了生產這些零部件的碳排放、廢物。
3 GaN功率芯片在向集成化發展
GaN功率芯片主要以2個流派在發展，一個是eMode常開型的，納微代表的是另一個分支——eMode常關型。相比傳統的常關型的GaN功率器件，納微又進一步做了集成，包括驅動、保護和控制的集成。
GaN功率芯片集成的優勢如下。
①傳統的Si器件參數不夠優異，開關速率、開關頻率都受到極大的限制，通常基于Si器件的電源系統設置都是在（60~100）kHz的開關頻率范圍，導致的結果是：因為開關頻率較低，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因為受限于驅動的線路的復雜性，如果沒有把驅動集成到功率器件里，受限于外部器件的布局、布線參數的影響，開關頻率沒有發揮到GaN本來發揮到的高度。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的數字。而納微的功率GaN器件由于集成了控制、驅動和保護，由于不依賴于外部集成參數的影響，開關頻率可以充分釋放。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。
納微的主流產品系列是GaNFastTM系列，是把驅動控制和基本保護集成在功率器件里。GaNSenseTM技術在GaNFastTM的基礎上又做了性能的提升，包括無損的電流采樣，待機功耗節省，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）。
截止納微發布這個產品時候已經有一些客戶在使用GaNSenseTM技術，并實現了量產。例如小米120W的GaN充電套裝，目前是業界最小的120W解決方案，里面是PFC+QR Flyback的系統框架，已經使用了2顆NV6134 GaNSenseTM系列。相比于傳統的之前已經量產的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 納微的市場規劃及獨門技術
納微與傳統的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年規劃中，服務器是第2步；第3步是工業類；第4步是汽車類發展，據悉，納微已跟國外的汽車零部件生產公司有合作，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器件和驅動、控制和保護電路在一個芯片的公司。該產品有哪些技術壁壘？
“GaN行業的壁壘，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，或者叫區別指標。”納微高級應用總監黃秀成指出。
的確，在GaN上做芯片是納微的原創，納微從2014年起家時就開始研究GaN，2018年才推出第1款量產產品，迄今已經開發出了超過130多項關于功率芯片的專利。其技術壁壘包括怎樣設計PDK，包括GaN，這是全新的一個領域，能在GaN上做邏輯電路、驅動電路，在簡單的基礎上怎么實現復雜的功能，這些都是有技術專利，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，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，現在超過50%的招聘人數以國內為主，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，具有更多功能
