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集成了驱动、保护和控制的氮化镓功率器件,是鸡肋还是战斗机?

2021-12-09 赵明灿 阅读:
纳微半导体介绍了使用GaNSense技术的新一代GaNFast氮化镓功率芯片。同时,也针对“氮化镓是鸡肋”的观点进行了反驳。

随着电源行业的发展,以便满足手机充电器更高充电功率以及更多应用场景的需求,氮化镓技术更迭也在持续进步。同时,随着应用的规模化,氮化镓芯片也在朝集成化的方向发展。但是,业界也出现了另一个声音,那就是有人认为氮化镓是鸡肋——“氮化镓的性能夹在硅和碳化硅之间,要求低一点的可以采用传统的硅,要求高一点的则可以采用碳化硅”,所以氮化镓的地位就很尴尬。XBOednc

日前,​纳微半导体在今年10月份在纳斯达克上市后首次举办“全球首款智能GaNFast氮化镓功率芯片暨GaNSense新技术在线媒体发布会”,向我们介绍了使用GaNSense技术的新一代GaNFast氮化镓功率芯片。同时,也针对上述这一有意思的话题等进行了解读。XBOednc

纳微氮化镓跟传统的硅有什么不一样?

首先,纳微半导体销售运营总监李铭钊(Edwin)向我们介绍了纳微的概况,详见以下截图。XBOednc

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他指出,氮化镓的特性跟传统的硅有很大的区别,比如它的开关速度比硅快20倍,采用氮化镓的产品体积和重量更小。在某些系统里甚至可以节能40%左右,这对于实现国家的碳中和目标很有助益。它的功率密度可以提升3倍,因此搭配快充的一些方案,在达到相同效果的同时,充电速度可提升3倍以上。同样的体积、同样的充电速度,用硅的方案来设计成本就非常高;利用氮化镓,系统成本可节约20%左右。XBOednc

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虽然氮化镓这种材料在20年前就已经有了,而晶体硅则是在1976年,比氮化镓早30年以上。最近这几年氮化镓通过自身优化、产能的提升、成本的控制,慢慢落地到消费类、工业类应用。纳微的产品现在主要是在台积电2号工厂以6寸晶圆生产。在封装部分则采用全球前三名的封装厂商,品质控制做到零故障。产品良率则在90%以上,交付时间是12周左右。XBOednc

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手机充电器应用为什么大量使用氮化镓

手机充电器采用氮化镓主要有两个原因。第一,手机电池容量越来越大,从以前的2000mAh左右,到现在的5000mAh。氮化镓的优势是可提升充电器的功率,同时降低充电器的尺寸和重量,消费者用很短的时间就可以把手机电池充满。另外,相关电子设备使用越来越多,可能有A口、C口,多头充电器是非常大的市场,一个轻便的氮化镓充电器可以适用非常多应用场合。XBOednc

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现在纳微的主要合作对象都是全球知名度比较高的厂商,比如小米、OPPO、联想、DELL等。这些国内消费者比较熟悉的品牌,都是使用纳微氮化镓芯片方案在做自己的产品。国外电商品牌也大量选用纳微的方案。现在,全球超过140款量产中的充电器都使用了纳微的方案,大约150款左右还在准备研发阶段,在未来12个月里最少会有另外150+款使用纳微方案的新产品出来。XBOednc

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除了充电器之外,还有平面电视、游戏机、平板等其他领域,也都是纳微关注的消费类产品——这些产品期望做到更小更轻,大约每年有20亿美金的市场机会。另外一个巨大的市场是数据中心,一年利用氮化镓可以省19亿美元左右的电费。还有一个应用场景就是太阳能。通过提升效率,可以把太阳能的逆变器可以放在家里非常小的地方,而让消费者用到更便宜的电力。XBOednc

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此外,国家目前非常关注电动汽车部分。氮化镓有非常好的特性,可以做到小型化,因此可以用它把汽车里的OBC以及DC/DC做到更小更轻,从而使之放进更多的锂电池,而让整个车续航时间更长、续航里程更远。XBOednc

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纳微氮化镓能够节能,是实现碳排放碳中和非常重要的手段。每出货一个氮化镓功率芯片,一年可以减少4kg的CO2XBOednc

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什么是GaNSense技术

随后,纳微半导体高级应用总监黄秀成重点介绍了GaNSense系列产品的特点及其应用场景。XBOednc

据介绍,功率氮化镓主要以两个流派在发展:一个是dMode常开型;另一个是以纳微为代表的eMode常关型。相比于传统的常关型的氮化镓功率器件,纳微又进一步做了集成,包括驱动、保护和控制的集成。XBOednc

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氮化镓功率芯片集成以后带来什么好处呢?黄秀成介绍说,传统的硅器件参数不够优异,它的开关速度、开关频率都受到极大的限制,通常基于硅器件的电源系统都是设置在60kHz到100kHz的开关频率范围内。由于其开关频率比较低,这就导致其储能元件(电感、电容)的尺寸相对比较大,电源的功率密度就会比较低。因此,业界常见的功率密度小于0.5W/cc。XBOednc

分立式氮化镓受限于驱动线路的复杂性。如果没有把驱动集成到功率器件里,由于外部器件的布局、布线参数的影响,开关频率就难以发挥到氮化镓本来应发挥到的高度。因此,对比于普通的硅器件,分立式氮化镓的开关频率大概只有2到3倍提升。可想而知,功率密度的提升也是相对比较有限的。“我们的友商或者同行,相比于传统的电源适配器或者电源解决方案,他们可以设计出相对比较高的功率密度,但是也没有远没有达到1W/cc的数字。”黄秀成谈道。纳微的功率氮化镓器件,内部集成了控制、驱动和保护,就可以不依赖于外部寄生参数的影响,开关频率可以充分地释放。目前其在电源适配器的主流开关频率是300到400kHz,在模块电源已经有客户设计到了MHz。因此,经过集成的方案,开关频率、开关速度的潜能被释放,所设计出的功率密度就会比传统的硅或分立式氮化镓高很多,目前纳微有很多案例功率密度都远远大于1W/cc。XBOednc

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目前纳微主流的氮化镓系列是GaNFast系列,也即把驱动、控制和保护做在了功率器件上面。目前其主要采用的是QFN封装,其大体布局和传统的硅以及分立式氮化镓的区别并不大,但是额外有三个和控制驱动相关的引脚。其外部Vcc的供电范围非常宽,为10V到30V,因此和目前的外围控制器配合得都非常好。XBOednc

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因为氮化镓芯片设计的一些难点,用氮化镓的晶圆来产生基准电压会相对比较难,所以纳微在外部用一个稳压管来产生内部基准电压,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。“我们的PWM信号内部做了很多防噪声处理,有很多磁滞的线路在里面。相比于传统的硅或分立式氮化镓,里面有很多保护,包括UVLO。在系统上Vcc未达到一定值之前,整个功率芯片是锁定状态,这样就可以有效地避免功率器件在某些异常条件下工作失效等等。”黄秀成说。XBOednc

目前,GaNFast产品的出货量已经实现三千万片。XBOednc

下图则很形象地展示了纳微氮化镓功率芯片进步的路标。相比于传统的硅和分立式GaN,纳微的GaNFast系列相对来说已经发挥出氮化镓速度的潜能,里面集成了驱动和基本保护,从传统的几十kHz到一两百kHz的方案提升到MHz的级别。GaNSense在GaNFast基础上又做了性能的提升,包括无损的电流采样、待机功耗节省,以及更多保护功能的集成。XBOednc

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下图则展示了GaNSense系列几个最突出的性能优点,包括无损可编程的电流采样(这对系统来说非常的重要)、智能的待机(包含有很多待机功耗要求,可以解决GaNFast以前相对不足的地方)、2kV ESD,以及将过温过流保护完美集成在了GaNSense系列里面。XBOednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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