氮化鎵功率器件再升級：GaNsense?技術(shù)能帶來(lái)怎樣的改變？

相比傳統的硅器件，氮化鎵器件的開(kāi)關(guān)速度要比硅快20倍，體積和重量更小，在一些系統里可以節能40%以上。同時(shí)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充電器上廣泛被應用的重要原因。

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

而在GaNFast^TM系列的基礎上，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(zhù)電源行業(yè)的發(fā)展，包括手機功率、充電功率需求的提高，更多應用場(chǎng)景的出現，氮化鎵技術(shù)更迭也在持續進(jìn)步。據納微半導體高級應用總監黃秀成介紹，功率氮化鎵主要以?xún)蓚€(gè)流派在發(fā)展，一個(gè)是dMode常開(kāi)型的，納微代表的是另一個(gè)——eMode常關(guān)型。相比于傳統的常關(guān)型的氮化鎵功率器件，納微又在原來(lái)的基礎上進(jìn)行了集成，這包括驅動(dòng)的集成，包括保護和控制的集成。

對于集成帶來(lái)的好處，還要從傳統硅器件和分離式氮化鎵方案的缺點(diǎn)說(shuō)起。黃秀成表示，傳統的硅器件參數不夠優(yōu)異，其開(kāi)關(guān)速率、開(kāi)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設置都是在60kHz到100kHz的開(kāi)關(guān)頻率范圍，因為開(kāi)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(huì )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動(dòng)的線(xiàn)路的復雜性，如果沒(méi)有把驅動(dòng)集成到功率器件里，受限于外部器件的布局、布線(xiàn)參數的影響，開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)有發(fā)揮到氮化鎵本來(lái)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(kāi)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、驅動(dòng)和保護，可以不依賴(lài)與外部集成參數的影響，充分釋放開(kāi)關(guān)頻率，方案功率密度可以遠遠大于1W/cc。

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

而GaNSense^TM在GaNFast^TM基礎上又做了主要是性能的提升，包括無(wú)損的電流采樣，包括待機功耗節省，還包括更多保護功能的集成。

GaNSense^TM第一個(gè)功能是無(wú)損電流采樣。把無(wú)損采樣代替原來(lái)采樣電阻功能，意味著(zhù)在功率回路里面有功率器件和功率采樣電阻，有兩個(gè)產(chǎn)生損耗的元件在里面，現在變成無(wú)損采樣，完全把采樣電阻損耗節省下來(lái)，功率回路里面的通態(tài)損耗也會(huì )減半，意味著(zhù)能效提升。另外兩點(diǎn)由無(wú)損電流采樣衍生而來(lái)的好處，一是PCB布局的減少，因為原來(lái)采樣電阻通常會(huì )采用3毫米乘以4毫米封裝采樣電阻的形勢，通過(guò)內部集成，無(wú)損采樣，PCB布局面積更小，布局會(huì )更靈活、更簡(jiǎn)單。二是熱耦合的問(wèn)題，原來(lái)有兩個(gè)發(fā)熱元件在這個(gè)系統里面，現在完全把一個(gè)拿掉了，現在熱的系數更好，耦合系數更低，器件本身工作溫度更低，系統的效率也會(huì )更高。

第二是過(guò)流保護功能。過(guò)流保護是基于采樣信號，內部設定一個(gè)過(guò)流的閾值。傳統的、包括GaNFast^TM系列，外部還是需要一個(gè)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(guò)流情況，控制器為了避免噪聲問(wèn)題，有一個(gè)Delay的問(wèn)題，通常它的反應時(shí)間在300納秒左右，就是傳統的一個(gè)控制器的反應時(shí)間。用了GaNSense^TM的電流采樣技術(shù)，在內部做信號處理，我們設定一個(gè)閾值，如果觸碰到這個(gè)閾值反應時(shí)間是遠遠小于100納秒，節省出來(lái)200納秒就可以避免系統因為異常情況，比如說(shuō)像短路、過(guò)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(guò)溫保護功能。過(guò)溫保護對于功率器件的保護非常重要，目前納微的保護機理是設置一個(gè)區間，獲取GaN晶圓上的溫度，當這個(gè)溫度超過(guò)設定的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(shí)，再去參考PMW信號，當有信號時(shí)候芯片繼續工作。

第四是智能待機功能。待機功耗的問(wèn)題對于充電器來(lái)說(shuō)非常重要，相比于GaNFast^TM，GaNSense^TM技術(shù)更加完善并簡(jiǎn)單?，F在很多能效標準都要求待機做到25毫瓦、30毫瓦以?xún)?，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，因為考慮待機問(wèn)題，我們通常外邊會(huì )做個(gè)線(xiàn)路，把待機時(shí)候的VCC切斷，所以系統會(huì )相對復雜一些。而GaNSense^TM技術(shù)會(huì )智能檢測PWM信號，當PWM信號是工作正常的時(shí)候，這個(gè)智能待機方式不發(fā)揮，當系統進(jìn)入跳周期的模式之后，通過(guò)檢測讓芯片進(jìn)入待機模式，整個(gè)待機電流從原來(lái)的接近1毫安降到接近100微安，所以整個(gè)待機功耗就可以下降很多。同時(shí)喚醒速度也非?？?，當第一次出現脈沖的時(shí)候，30納秒就可以馬上進(jìn)入正常工作模式。

三大應用場(chǎng)景，GaNSense^TM解決方案已落地

據黃秀成介紹，GaNSense^TM主要有三個(gè)應用場(chǎng)景：

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

第二個(gè)應用場(chǎng)景就是帶PFC功能，在這兩個(gè)拓撲下我們的效率提升在90V輸出條件下至少可以提升0.5%的能效；

第三個(gè)應用場(chǎng)景，非對稱(chēng)半橋，隨著(zhù)PD3.1的代入，非對稱(chēng)半橋這個(gè)拓撲一定會(huì )慢慢地火起來(lái),這個(gè)拓撲里面有兩個(gè)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。

據透露，目前使用GaNSense^TM方案的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現了量產(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的系統框架，使用了兩顆NV6134 GaNSense^TM系列，相比于傳統的之前已經(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(lái)不止于手機充電器

從產(chǎn)品面向的市場(chǎng)來(lái)看，不難看出納微從一開(kāi)始就是以消費類(lèi)電源為切入點(diǎn)，這與傳統GaN的廠(chǎng)商從工業(yè)類(lèi)、汽車(chē)類(lèi)入手有點(diǎn)不同。

李銘釗認為，在消費類(lèi)市場(chǎng)鋪墊，把整體GaN的量沖起來(lái)，在市場(chǎng)里可以印證納微的技術(shù)?！巴ㄟ^(guò)消費類(lèi)市場(chǎng)，把我們的技術(shù)和產(chǎn)能、周邊的生態(tài)圈很快建立起來(lái)?，F在納微氮化鎵整個(gè)生態(tài)圈布局，相對硅來(lái)說(shuō)非常非?？?。通過(guò)大量消費類(lèi)應用的巨大市場(chǎng)，拉動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈跟上。所以，未來(lái)GaN的市場(chǎng)局部會(huì )更快?！?br />
除了消費類(lèi)市場(chǎng)，納微正在擴展到服務(wù)器電源領(lǐng)域，太陽(yáng)能領(lǐng)域，電動(dòng)汽車(chē)的領(lǐng)域。據了解，目前納微服務(wù)器電源領(lǐng)域的團隊在杭州已經(jīng)正式成立，并已開(kāi)始打造第一款服務(wù)器的產(chǎn)品。另外，納微的電動(dòng)汽車(chē)團隊也已經(jīng)在上海開(kāi)始招聘。

據了解，每出貨一個(gè)氮化鎵功率芯片，生產(chǎn)制造過(guò)程相比硅芯片可以減少4公斤的二氧化碳排放。氮化鎵節能的特性是實(shí)現碳排放、碳中和非常重要的手段，在當下碳中和已經(jīng)逐漸成為“剛需”的節點(diǎn)，未來(lái)氮化鎵的應用前景必然會(huì )更加廣泛。