氮化鎵功率器件再升級：GaNsense?技術(shù)能帶來怎樣的改變？

相比傳統(tǒng)的硅器件，氮化鎵器件的開關(guān)速度要比硅快20倍，體積和重量更小，在一些系統(tǒng)里可以節(jié)能40%以上。同時相比于硅，氮化鎵功率器件的功率密度可以提升3倍，搭配快充方案，同體積下充電速度可以提升3倍以上，這也是目前氮化鎵在手機(jī)充電器上廣泛被應(yīng)用的重要原因。

氮化鎵GaNFast^TM是納微半導(dǎo)體此前被廣泛應(yīng)用的氮化鎵功率芯片系列，納微半導(dǎo)體銷售營運總監(jiān)李銘釗介紹到，目前全球超過140款量產(chǎn)中的充電器都采用了納微的方案，大約150款左右還在準(zhǔn)備研發(fā)階段，在未來12個月里最少還有另外150多款使用納微方案的新產(chǎn)品出來。

而在GaNFast^TM系列的基礎(chǔ)上，納微在近日發(fā)布了新一代的GaNSense^TM技術(shù)。

GaNsense^TM：GaNFast^TM的進(jìn)一步提升

隨著電源行業(yè)的發(fā)展，包括手機(jī)功率、充電功率需求的提高，更多應(yīng)用場景的出現(xiàn)，氮化鎵技術(shù)更迭也在持續(xù)進(jìn)步。據(jù)納微半導(dǎo)體高級應(yīng)用總監(jiān)黃秀成介紹，功率氮化鎵主要以兩個流派在發(fā)展，一個是dMode常開型的，納微代表的是另一個——eMode常關(guān)型。相比于傳統(tǒng)的常關(guān)型的氮化鎵功率器件，納微又在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行了集成，這包括驅(qū)動的集成，包括保護(hù)和控制的集成。

對于集成帶來的好處，還要從傳統(tǒng)硅器件和分離式氮化鎵方案的缺點說起。黃秀成表示，傳統(tǒng)的硅器件參數(shù)不夠優(yōu)異，其開關(guān)速率、開關(guān)頻率都受到極大的限制，通常我們看到基于硅器件的電源系統(tǒng)設(shè)置都是在60kHz到100kHz的開關(guān)頻率范圍，因為開關(guān)比率比較低，其儲能元件，相對電感電容用的尺寸比較大，電源的功率密度會相對比較低，業(yè)界通常的功率密度小于0.5W/cc。

第二，分立式氮化鎵因為受限于驅(qū)動的線路的復(fù)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)揮到氮化鎵本來發(fā)揮到的高度。所以，對比于普通的硅器件大概只有2到3倍開關(guān)頻率的提升，可想而知功率密度的提升也是相對比較有限的。


因此，納微的GaNFast^TM系列氮化鎵功率器件集成了控制、驅(qū)動和保護(hù)，可以不依賴與外部集成參數(shù)的影響，充分釋放開關(guān)頻率，方案功率密度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1W/cc。

但隨著電源行業(yè)的發(fā)展，包括手機(jī)功率、充電功率需求的提高，更多應(yīng)用場景的出現(xiàn)，納微的氮化鎵技術(shù)更迭也在持續(xù)進(jìn)步。 黃秀成談到，相比于傳統(tǒng)的硅和Discrete GaN，納微的GaNFast^TM系列相對來說已經(jīng)發(fā)揮出氮化鎵速度和潛能，里面集成驅(qū)動、基本保護(hù)，從傳統(tǒng)的幾十K到一兩百K的方案，提升到MHz這樣的級別。

而GaNSense^TM在GaNFast^TM基礎(chǔ)上又做了主要是性能的提升，包括無損的電流采樣，包括待機(jī)功耗節(jié)省，還包括更多保護(hù)功能的集成。

GaNSense^TM第一個功能是無損電流采樣。把無損采樣代替原來采樣電阻功能，意味著在功率回路里面有功率器件和功率采樣電阻，有兩個產(chǎn)生損耗的元件在里面，現(xiàn)在變成無損采樣，完全把采樣電阻損耗節(jié)省下來，功率回路里面的通態(tài)損耗也會減半，意味著能效提升。另外兩點由無損電流采樣衍生而來的好處，一是PCB布局的減少，因為原來采樣電阻通常會采用3毫米乘以4毫米封裝采樣電阻的形勢，通過內(nèi)部集成，無損采樣，PCB布局面積更小，布局會更靈活、更簡單。二是熱耦合的問題，原來有兩個發(fā)熱元件在這個系統(tǒng)里面，現(xiàn)在完全把一個拿掉了，現(xiàn)在熱的系數(shù)更好，耦合系數(shù)更低，器件本身工作溫度更低，系統(tǒng)的效率也會更高。

第二是過流保護(hù)功能。過流保護(hù)是基于采樣信號，內(nèi)部設(shè)定一個過流的閾值。傳統(tǒng)的、包括GaNFast^TM系列，外部還是需要一個采樣電阻，采樣電阻采到的信號交由控制器判斷是否發(fā)生過流情況，控制器為了避免噪聲問題，有一個Delay的問題，通常它的反應(yīng)時間在300納秒左右，就是傳統(tǒng)的一個控制器的反應(yīng)時間。用了GaNSense^TM的電流采樣技術(shù)，在內(nèi)部做信號處理，我們設(shè)定一個閾值，如果觸碰到這個閾值反應(yīng)時間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100納秒，節(jié)省出來200納秒就可以避免系統(tǒng)因為異常情況，比如說像短路、過功率等等，造成變壓器的電流急劇上升這樣惡化的情況。

第三是過溫保護(hù)功能。過溫保護(hù)對于功率器件的保護(hù)非常重要，目前納微的保護(hù)機(jī)理是設(shè)置一個區(qū)間，獲取GaN晶圓上的溫度，當(dāng)這個溫度超過設(shè)定的160度閾值后，直接把芯片斷電，待芯片自然冷卻到低于100度時，再去參考PMW信號，當(dāng)有信號時候芯片繼續(xù)工作。

第四是智能待機(jī)功能。待機(jī)功耗的問題對于充電器來說非常重要，相比于GaNFast^TM，GaNSense^TM技術(shù)更加完善并簡單?，F(xiàn)在很多能效標(biāo)準(zhǔn)都要求待機(jī)做到25毫瓦、30毫瓦以內(nèi)，早期的GaNFast^TM系列因為集成了芯片的功能，其靜態(tài)電流在700微安或1毫安。盡管電流也是非常小的，因為考慮待機(jī)問題，我們通常外邊會做個線路，把待機(jī)時候的VCC切斷，所以系統(tǒng)會相對復(fù)雜一些。而GaNSense^TM技術(shù)會智能檢測PWM信號，當(dāng)PWM信號是工作正常的時候，這個智能待機(jī)方式不發(fā)揮，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入跳周期的模式之后，通過檢測讓芯片進(jìn)入待機(jī)模式，整個待機(jī)電流從原來的接近1毫安降到接近100微安，所以整個待機(jī)功耗就可以下降很多。同時喚醒速度也非?？?，當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)脈沖的時候，30納秒就可以馬上進(jìn)入正常工作模式。

三大應(yīng)用場景，GaNSense^TM解決方案已落地

據(jù)黃秀成介紹，GaNSense^TM主要有三個應(yīng)用場景：

第一個，目前快充最火爆的QR Flyback的應(yīng)用場景，可以代替掉原邊的主管和采樣電阻；

第二個應(yīng)用場景就是帶PFC功能，在這兩個拓?fù)湎挛覀兊男侍嵘?0V輸出條件下至少可以提升0.5%的能效；

第三個應(yīng)用場景，非對稱半橋，隨著PD3.1的代入，非對稱半橋這個拓?fù)湟欢〞鼗鹌饋?這個拓?fù)淅锩嬗袃蓚€芯片，作為主控管可以用GaNSense^TM，因為也需要采用電流，上管作為同步管可以用GaNFast^TM系列代替。

據(jù)透露，目前使用GaNSense^TM方案的產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)。比如小米120W的氮化鎵，作為目前是業(yè)界最小120W解決方案，其采用PFC加上QR的系統(tǒng)框架，使用了兩顆NV6134 GaNSense^TM系列，相比于傳統(tǒng)的之前已經(jīng)量產(chǎn)的硅的方案，GaNSense^TM解決方案比硅方案提升了1.5%的效率。除此之外，聯(lián)想YOGA65W雙C口充電器，也是采用了NV6134的解決方案。

未來不止于手機(jī)充電器

從產(chǎn)品面向的市場來看，不難看出納微從一開始就是以消費類電源為切入點，這與傳統(tǒng)GaN的廠商從工業(yè)類、汽車類入手有點不同。

李銘釗認(rèn)為，在消費類市場鋪墊，把整體GaN的量沖起來，在市場里可以印證納微的技術(shù)。“通過消費類市場，把我們的技術(shù)和產(chǎn)能、周邊的生態(tài)圈很快建立起來?，F(xiàn)在納微氮化鎵整個生態(tài)圈布局，相對硅來說非常非常快。通過大量消費類應(yīng)用的巨大市場，拉動整個產(chǎn)業(yè)鏈跟上。所以，未來GaN的市場局部會更快。”

除了消費類市場，納微正在擴(kuò)展到服務(wù)器電源領(lǐng)域，太陽能領(lǐng)域，電動汽車的領(lǐng)域。據(jù)了解，目前納微服務(wù)器電源領(lǐng)域的團(tuán)隊在杭州已經(jīng)正式成立，并已開始打造第一款服務(wù)器的產(chǎn)品。另外，納微的電動汽車團(tuán)隊也已經(jīng)在上海開始招聘。

據(jù)了解，每出貨一個氮化鎵功率芯片，生產(chǎn)制造過程相比硅芯片可以減少4公斤的二氧化碳排放。氮化鎵節(jié)能的特性是實現(xiàn)碳排放、碳中和非常重要的手段，在當(dāng)下碳中和已經(jīng)逐漸成為“剛需”的節(jié)點，未來氮化鎵的應(yīng)用前景必然會更加廣泛。