获小米、联想青睐，纳微GaNSense技术开启功率芯片智能时代

shuszhao

                     

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。



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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CO[sub]2[/sub]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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纳微GaNSense技术开启功率芯片智能时代

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