隨著蘋果新一代的140W氮化鎵（GaN）快充面世，GaN進一步走進了大眾視線。GaN具備超過硅20倍的開關速度，3倍的禁帶寬度。天然的優(yōu)勢可以讓整體的電源設計功率密度更高，讓整體電源方案體積和重量更小。但GaN作為一種新材料器件，要發(fā)揮其真正的優(yōu)勢，仍需要很多的新的技術積累來支撐?！胺蛛xGaN電源方案可以將功率密度提升到傳統(tǒng)硅方案的2倍3倍，但遠未能達到1W/cc的數字。”納微半導體高級應用總監(jiān)黃秀成分享到，“納微半導體的集成方案可以將GaN的開關頻率和速度優(yōu)勢充分釋放，我們的很多案例已經遠大于1W/cc。”近日Navitas納微半導體發(fā)布了全新的GaNSense技術，在GaNFast的基礎上進一步提升了集成度。

GaNFast：集成方案才能發(fā)揮GaN潛力

目前功率GaN有兩個主要的流派，如下圖所示，一個是dMode常開型，這種技術路線需要在GaN之外增加額外的硅FET級聯(lián)配置，也可以將其與控制器、GaN合封在一起組成集成的方案。另一種是eMode常關型，需要特殊的柵極驅動器來驅動GaN。在eMode常關型這條技術路線上，將控制、驅動和保護等集成在一個芯片上的集成方案，以納微半導體的GaNFast為代表。據黃秀成分享，氮化鎵驅動線路復雜性較高，分立方案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(fā)揮到氮化鎵本來發(fā)揮到的高度。GaNFast集成了控制、驅動和保護在里面，就可以不依賴于外部集成參數影響，所以設計出來的功率密度比傳統(tǒng)的硅或者分立式的氮化鎵高得多。

但GaNFast并不是常開型GaN功率器件高度集成的終點。在納微半導體美股上市不到一個月后，GaNSense新技術就重磅發(fā)布，為GaNFast集成了更多具有競爭力的功能：無損電流采樣、過流保護、過溫保護和智能待機。

全新GaNSense技術：GaN功率方案集成度更進一步

GaNSense新技術加持的GaNFast功率芯片，在四大方面實現(xiàn)了智能化的GaN方案突破。

無損電流采樣的方式是通過采集GaN晶元上某些具有代表性cell的電流信號，然后經過電流電壓轉換，最終以一種電流源的輸出到外部的可編程電阻上，通過調節(jié)電阻大小來復現(xiàn)出流經GaN的電流。據黃秀成分享，以NV6134這一型號產品舉例，雖然規(guī)格書中標注的是4～5%的證書偏差，但經過上千個測試結果顯示，采樣誤差大概在正負1.36%以內，采樣精度非常高。

這種無損電流采樣的方案可以將傳統(tǒng)方案中采樣電阻取消，這一損耗完全節(jié)省下來， 回路的通態(tài)損耗也會減半，從而達到能效提升的效果；另外也進一步節(jié)省了PCB面積，實現(xiàn)更靈活和緊湊的布局；去掉之后的熱系數也會更好 ，耦合系數更低，器件本身工作溫度低了之后，系統(tǒng)整體效率也會提升。

過流保護是基于采樣信號在GaN功率芯片內部設定一個過流閾值。傳統(tǒng)的分立方案、包括之前的GaNFast的集成方案，都是需要在外部連接一個采樣電阻來判斷是否發(fā)生過流情況?？刂破鳛榱吮苊庠肼暤膯栴}，回設置一個300ns的delay。而現(xiàn)在GaNSense在內部的閾值反應時間是遠遠<100ns，節(jié)省出來的200ns就可以避免系統(tǒng)因為短路、過功率等異常情況造成的變壓器電流急劇上升這樣的惡化情況。

據黃秀成分享，如果電流信號觸碰到內部設置的閾值，不管外部控制器的PWM信號時高還是低，都會直接關斷，從而保護系統(tǒng)里面的串流電流不回繼續(xù)擴充超過閾值。這是一種逐周期的保護方式， 精準控制過流點在閾值以內。

過溫保護的方式同樣是采集GaN晶元的溫度，當溫度超過設定閾值之后，不論外部PWM控制信號是高還是低都直接關斷芯片，讓芯片自然冷卻。芯片冷卻到閾值溫度以下后，才會重新參考外部的PWM信號，判斷是否需要繼續(xù)工作。這區(qū)別于過流保護，并非以一種逐周期的方式，但可以在區(qū)間內精準控制節(jié)溫的范圍。

智能待機功能是在GaNFast之前的技術基礎上更進了一步。早期的GaNFast雖然內部靜態(tài)電流僅為700u～1mA，但為了追求更好的待機功耗，仍需要在外部布置線路，在待機時將VCC切斷，實現(xiàn)芯片功耗降低?，F(xiàn)在的GaNSense技術更加完善，通過智能檢測PWM信號來讓芯片進入待機模式。當芯片檢測到PWM信號表現(xiàn)為非工作頻率的周期模式時，就會讓芯片進入待機模式，這時候待機電流會從1mA左右降低到100uA左右。另外喚醒的速度也非常關鍵，GaNSense加持的新一代GaNFast可以在30ns內讓芯片重新回到正常工作模式。據黃秀成分享，在同一個平臺上，用GaNSense加持的新一代GaNFast替代早期的GaNFast芯片后，可以實現(xiàn)6～7mW的功耗節(jié)省，待機功耗境地接近20%，這是非常出色的表現(xiàn)。

從研發(fā)、生產到全鏈AE支持：納微助力GaN客戶創(chuàng)新

從上文中GaNSense的技術細節(jié)介紹中我們可以看到，很多技術都需要在晶元層面上實現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的硅芯片廠商而言，這是一種全新的技術積累，在Si、SiC器件上的一些技術積累并不能夠在GaN的設計上直接使用，而且GaN的這些技術創(chuàng)新需要晶圓廠的密切配合，一起進行工藝的設計改良。據納微半導體銷售營運總監(jiān)李銘釗介紹，納微現(xiàn)在主要是在臺積電的2號工廠里生產，主要生產6寸的晶圓。在封裝部分，采用全球前三名的封裝廠商，品質控制做到零故障?，F(xiàn)在累計出貨三千萬顆氮化鎵功率芯片，確定零故障。產出良率能力90%以上，交付的時間是12周左右。

在產業(yè)鏈的上下游合作上，納微半導體也一直緊密合作。據徐迎春分享，在納微半導體的最早期產品研發(fā)階段，就有很多磁芯廠家送磁芯給黃秀成博士評估，如何將其應用到氮化鎵領域，還包括磁芯、磁環(huán)、濾波器和變壓器等，是非常重要一塊，在電源中占25%的成本。第二是電解電容，納微半導體與頭部廠商合作，獲得定制化的產品來應用到GaN中。第三是PCB和平板變壓器等非常核心的技術，也是黃秀成博士在引領。正是這些整個上游生態(tài)圈的密切串聯(lián)，才能夠讓下游終端客戶和ODM客戶可以專注于其產品研發(fā)。

GaN這樣一種全新器件也會帶來一種全新的設計，所以對于客戶而言，支持的工作也同樣重要。納微在中國部署了強大的AE團隊，從客戶的需求的定制、需求的討論，到原理圖的繪制，到整個布版的設計，到結構的裝配性，一直到EVT（電器性能樣機測試），到最后整個詳細設計階段EMI的調試，一直到小批量的試產，中批量的試產，到大批量的量產，納微都提供全程的服務。在這種支持下，目前已經量產的GaN充電器項目達到了140多例，正在研發(fā)的超過150例，獲得了超過90%的品牌商認可。

功率GaN的應用不止于快充

GaN功率器件雖然目前在消費類的快充上應用較多，但其實其優(yōu)異的特性并不僅僅局限于快充，在數據中心、電動汽車等應用上也驅動其創(chuàng)新。納微半導體也不僅僅只是想做一個快充功率方案的提供商，而是會繼續(xù)面向數據中心和汽車等方向發(fā)力。據李銘釗介紹，傳統(tǒng)GaN的廠商都是從工業(yè)類、汽車類這邊開始來做，納微半導體跟一開始GaN的廠商不一樣，是先從消費類開始鋪墊，把整體GaN的量沖起來，在市場里邊印證技術、建立產能和周邊的生態(tài)圈。通過大量消費類應用的巨大市場，拉動整個產業(yè)鏈跟上。在納微未來5年的計劃中，服務器就是第二步，第三步工業(yè)類，第四步汽車類發(fā)展。

歐盟要求到2023年數據中心的效率曲線最高效率點要提升到96%，要實現(xiàn)這樣的表現(xiàn)，傳統(tǒng)的硅拓撲會增加非常多的成本。而GaN的方案會有更好的成本和性能的表現(xiàn)，可以為其每年節(jié)省19億的電費。因此納微半導體將數據中心作為其消費類快充市場拿下之后的第二個主要應用方向，并且已經成立了專門的團隊。

此外在太陽能領域，通過GaN的方案可以將逆變器的體積變成更小，將其成本實現(xiàn)25%以上的降低 ，40%以上的節(jié)能，將投資回報周期縮短，從而推動住宅太陽能的應用。據悉該市場機會對于GaN功率芯片而言將會是10億美元/年的規(guī)模。

在電動汽車領域上， GaN的主要發(fā)力點是OBC和DC/DC部分。目前GaNFast的一些專利技術，譬如OCP、OTP的保護等，都可以應用到汽車應用上。但譬如無損采樣等，需要添加一些隔離的功能才能夠滿足汽車的應用要求。目前納微半導體也已經在這方面開始進行研發(fā)。據悉納微半導體和國外的汽車零件生產公司已經有一個合作，并將與歐洲的汽車生產商啟動一個大的項目。

“現(xiàn)在是氮化鎵不斷往上走，電壓等級、電流等級，功率等級，不斷往上探，所以納微未來的布局有服務器、數據中心、EV等等，我們不斷把氮化鎵往上探。”黃秀成分享到，“本身氮化鎵往上探沒有限制，我們在年底或明年就會出小于20毫歐的器件，這意味著我們可以做到單體3.3千瓦到5千瓦的功率，未來我們做這個模塊，比如3個die，或者幾個die，做橋壁做并聯(lián)等等，很快功率等級從10千瓦到20千瓦、30千W，EV充電樁，甚至電動汽車的主驅，都是在我們的規(guī)劃當中，那個時候看氮化鎵完全是另外一個基調，這是我們對未來市場的判斷?！?

總結

GaNSense新技術的加持，讓新一代的GaNFast芯片的集成度進一步提升，智能化的程度提升?；诖耍蛻舻恼w方案設計也可以變成更為簡潔和高效。正如納微半導體遠瞻，從消費類市場對GaN芯片需求起量之后， 未來GaN將會在更多應用領域發(fā)揮其價值。再過五年，十年，GaN的芯片應用會是更大的一個市場。

備注：GaNSense、GaNFast均為納微半導體注冊商標