GaN功率芯片走向成熟，纳微GaNSense开启智能集成时代

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，《电子产品世界》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。

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《电子产品世界》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）。

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）。

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）。

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GaNSense^TM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GaNFast^TM系列，是把驱动控制和基本保护集成在功率器件里。GaNSense^TM技术在GaNFast^TM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 GaNSense^TM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GaNSense^TM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 GaNSense^TM系列。相比之前已经量产的传统Si方案，GaNSense^TM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GaNSense^TM有更广阔的应用。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年1月期）