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获小米、联想青睐,纳微GaNSense技术开启功率芯片智能时代

时间:2021-11-25 作者:邵乐峰 阅读:
GaNSense是纳微半导体推出的最新技术,集成了关键、实时、智能的传感和保护电路,与前几代产品相比,GaNSense技术可额外提高10%的节能效果,并能够进一步减少外部元件数量,缩小系统的尺寸。
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市调机构TrendForce数据显示,受惠于消费性快充产品需求的快速上升,GaN功率器件已成为第三代半导体产业中产值上升最快速的类别,预估2021年营收将达8,300万美元,年增率高达73%。而纳微半导体(Navitas)也将有望以29%的出货量市占率,获得今年全球GaN功率市场第一名。

在电力应用中取代硅

作为第三代半导体的代表,氮化镓与硅在材料特性、性能方面存在较大差异,例如其开关速度是硅的20倍,体积和质量轻3倍,功率密度高3倍……等等,使之成为提高电力关键行业效率的不二之选。 

纳微半导体销售运营总监李铭钊认为,GaN之所以受到快充市场,尤其是手机、笔记本行业的青睐,一是由于手机电池容量越来越大,而GaN凭借高散热效能与体积小的产品优势,能够迅速提升充电器功率,在短时间内将设备电量充满,迎合了消费者的需求;二是随着电子设备的种类越来越多,未来多头充电器有极大的市场,这也促成氮化镓得以快速商用。

其实,在消费类产品领域,除了充电器,以平面电视、游戏机、平板为代表的产品对更高功率、更小外形尺寸、更轻重量也有着同样的需求趋势,并有望因此带来每年20亿美元的市场机会。

从目前快充市场功率规格来看,2020年GaN快充市场以55W~65W为主流功率段,约占GaN元件销售市占率72%,其中又以65W为主流。而百瓦级大功率产品,2020年市占率仅约8%,但市场前景备受期待,越来越多厂商陆续推出大功率快充产品,以应对消费者日益增加的用电需求,目前最高功率已达140W。

李铭钊提供的数据显示,截至目前,全球有超过140款量产中的充电器采用了纳微半导体的方案,另外还有大约150款充电器处于准备研发阶段。这意味着,在未来12个月内,将有至少150款使用纳微半导体方案的充电器上市。而在行业关心的产能和交期方面,纳微方面称,其GaN产出能力已经达到了90%以上,交付时间约为12周。

数据中心、太阳能和电动汽车是除消费电子外,最被看好的GaN应用领域。预测数据显示,GaN芯片可以减少高达10%的数据中心用电量,为全球节省超过15TWh或19 亿美元的电力成本;降低25%的太阳能逆变器成本,最高节能40%,提高10%或更高的太阳能投资回报率,为相关企业在2023年至2030年间带来超过5亿美元的收入机会;让汽车中的OBC、DC/DC的体积更小、质量更轻,把节省出来的空间让给锂电池,从而增加电动汽车的续航里程。

“GaN是实现碳排放、碳中和目标的重要手段。根据测算,每一颗GaN芯片一年可减少4公斤CO2的排放,可将一个服务器电源所需零件数量从1000个降至600个,到2050年,GaN每年将解决26亿吨碳排放量。“李铭钊说。

势不可挡的集成化趋势 

当前,功率GaN市场存在两个主要流派:eMode常开型和eMode常关型。而纳微在传统eMode常关型GaN功率芯片基础之上,又进一步对驱动、保护和控制功能进行了集成。

按照纳微半导体高级应用总监黄秀成给出的说法,高度集成的GaN功率芯片能够在以下三方面带来突出的竞争优势:

第一,传统的硅器件参数不够优异,开关速率和开关频率都受到极大限制。基于硅器件的电源系统设置主要在60KHz-100KHz的开关频率范围内,由于开关频率比较低,会导致电感、电容尺寸过大,电源功率密度相对较低,目前业界硅器件的电源功率密度普遍小于0.5W/cc。

第二,如果没有把驱动集成到功率器件内部,那么分立式GaN就会受限于驱动线路的复杂性,受限于外部器件的布局、布线参数的影响,其开关频率只能比普通硅器件提升2-3倍,功率密度尽管比传统硅要高的,但提升幅度有限,达不到1W/cc的性能。

第三,内部集成了控制、驱动和保护的GaN功率器件,可以不依赖外部集成参数,其主流开关频率可以达到300KHz-400KHz,甚至是MHz级别,部分产品的功率密度也远远大于1W/cc。 

GaN功率芯片集成优势

GaNFast系列是纳微目前在GaN功率芯片市场的主打产品,出货量累计突破三千万颗。该系列芯片把驱动控制和保护集成在了功率器件上,采用QFN封装,其大体布局和传统的硅以及分立式氮化镓芯片区别不大,包括漏极、源极、PWM、外部Vcc供电(10V-30V)等。

考虑到产生基准变压会是GaN功率芯片的设计难点,黄秀成介绍说,纳微的做法是采用外部稳压管为内部产生基准电压,把宽范围的Vcc调整成内部真正需要驱动氮化镓功率器件的母线电压。同时,对GaNFast™芯片内部的PWM信号进行防噪声处理,欠压锁定可在没有完整电源时保护驱动器和FET等措施的采用,都有效的避免了功率器件在某些异常条件下的工作失效。

新一代GaNSense

GaNSense是纳微半导体推出的最新技术,集成了关键、实时、智能的传感和保护电路,与前几代产品相比,GaNSense技术可额外提高10%的节能效果,并能够进一步减少外部元件数量,缩小系统的尺寸。

此外,如果氮化镓功率芯片识别到有潜在的系统危险,该芯片将迅速过渡到逐个周期的关断状态,以保护器件和周围系统。GaNSense技术还集成了智能待机降低功耗功能,在氮化镓功率芯片处于空闲模式时,自动降低待机功耗,有助于进一步降低功耗,这对越来越多积极追求环保的客户来说尤为重要。

凭借业界最严格的电流测量精度和GaNFast响应时间,GaNSense技术缩短50%的危险时间,危险的过电流峰值降低50%。GaNFast氮化镓功率芯片单片集成提供了可靠的、无故障的操作,没有 "振铃",从而提高了系统可靠性。

采用GaNSense技术的新一代纳微GaNFast氮化镓功率芯片有十个型号,他们都集成了氮化镓功率器件、氮化镓驱动、控制和保护的核心技术,所有产品的额定电压为650V/800V,具有2kV ESD保护。新的GaNFast功率芯片的RDS(ON)范围为120至450毫欧,采用5 x 6 mm或6 x 8 mm PQFN封装,具有GaNSense保护电路和无损电流感应。作为纳微第三代氮化镓功率芯片,针对现代电源转换拓扑结构进行了优化,包括高频准谐振反激式(HFQR)、有源钳位反激式(ACF)和PFC升压,这些都是移动和消费市场内流行的提供最快、最高效和最小的充电器和适配器的技术方法。

GaNSense™主要有三个应用场景:第一,快充QR Flyback的应用场景,可代替掉原来的主管和采样电阻;第二,带PFC功能的器件,在90V输出条件下,至少可以提升0.5%的能效;第三,非对称半桥应用,随着PD3.1的代入,非对称半桥拓扑得到了重视,拓扑架构中的两颗芯片作为主控管可用GaNSense,也需要采样电流,上管作为同步管可以用GaNFast系列代替。

据透露,已经有部分客户在使用GaNSense技术芯片,包括小米120W氮化镓充电器。作为目前业界最小的120W解决方案,里面集成了PFC+QR的系统框架,内部使用了两颗NV6134 GaNSense系列芯片,比硅方案提升了1.5%的效率。此外,联想YOGA65W双C也采用了NB6134的解决方案。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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