氮化镓功率器件再升级：GaNsense™技术能带来怎样的改变？

相比传统的硅器件，氮化镓器件的开关速度要比硅快20倍，体积和重量更小，在一些系统里可以节能40%以上。同时相比于硅，氮化镓功率器件的功率密度可以提升3倍，搭配快充方案，同体积下充电速度可以提升3倍以上，这也是目前氮化镓在手机充电器上广泛被应用的重要原因。
 
氮化镓GaNFast^TM是纳微半导体此前被广泛应用的氮化镓功率芯片系列，纳微半导体销售营运总监李铭钊介绍到，目前全球超过140款量产中的充电器都采用了纳微的方案，大约150款左右还在准备研发阶段，在未来12个月里最少还有另外150多款使用纳微方案的新产品出来。
 
而在GaNFast^TM系列的基础上，纳微在近日发布了新一代的GaNSense^TM技术。
 
GaNsense^TM：GaNFast^TM的进一步提升
 
随着电源行业的发展，包括手机功率、充电功率需求的提高，更多应用场景的出现，氮化镓技术更迭也在持续进步。据纳微半导体高级应用总监黄秀成介绍，功率氮化镓主要以两个流派在发展，一个是dMode常开型的，纳微代表的是另一个——eMode常关型。相比于传统的常关型的氮化镓功率器件，纳微又在原来的基础上进行了集成，这包括驱动的集成，包括保护和控制的集成。
 
对于集成带来的好处，还要从传统硅器件和分离式氮化镓方案的缺点说起。黄秀成表示，传统的硅器件参数不够优异，其开关速率、开关频率都受到极大的限制，通常我们看到基于硅器件的电源系统设置都是在60kHz到100kHz的开关频率范围，因为开关比率比较低，其储能元件，相对电感电容用的尺寸比较大，电源的功率密度会相对比较低，业界通常的功率密度小于0.5W/cc。
 
第二，分立式氮化镓因为受限于驱动的线路的复杂性，如果没有把驱动集成到功率器件里，受限于外部器件的布局、布线参数的影响，开关频率没有发挥到氮化镓本来发挥到的高度。所以，对比于普通的硅器件大概只有2到3倍开关频率的提升，可想而知功率密度的提升也是相对比较有限的。
 
 
因此，纳微的GaNFast^TM系列氮化镓功率器件集成了控制、驱动和保护，可以不依赖与外部集成参数的影响，充分释放开关频率，方案功率密度可以远远大于1W/cc。
 
但随着电源行业的发展，包括手机功率、充电功率需求的提高，更多应用场景的出现，纳微的氮化镓技术更迭也在持续进步。

黄秀成谈到，相比于传统的硅和Discrete GaN，纳微的GaNFast^TM系列相对来说已经发挥出氮化镓速度和潜能，里面集成驱动、基本保护，从传统的几十K到一两百K的方案，提升到MHz这样的级别。
 
而GaNSense^TM在GaNFast^TM基础上又做了主要是性能的提升，包括无损的电流采样，包括待机功耗节省，还包括更多保护功能的集成。
 
GaNSense^TM第一个功能是无损电流采样。把无损采样代替原来采样电阻功能，意味着在功率回路里面有功率器件和功率采样电阻，有两个产生损耗的元件在里面，现在变成无损采样，完全把采样电阻损耗节省下来，功率回路里面的通态损耗也会减半，意味着能效提升。另外两点由无损电流采样衍生而来的好处，一是PCB布局的减少，因为原来采样电阻通常会采用3毫米乘以4毫米封装采样电阻的形势，通过内部集成，无损采样，PCB布局面积更小，布局会更灵活、更简单。二是热耦合的问题，原来有两个发热元件在这个系统里面，现在完全把一个拿掉了，现在热的系数更好，耦合系数更低，器件本身工作温度更低，系统的效率也会更高。
 
第二是过流保护功能。过流保护是基于采样信号，内部设定一个过流的阈值。传统的、包括GaNFast^TM系列，外部还是需要一个采样电阻，采样电阻采到的信号交由控制器判断是否发生过流情况，控制器为了避免噪声问题，有一个Delay的问题，通常它的反应时间在300纳秒左右，就是传统的一个控制器的反应时间。用了GaNSense^TM的电流采样技术，在内部做信号处理，我们设定一个阈值，如果触碰到这个阈值反应时间是远远小于100纳秒，节省出来200纳秒就可以避免系统因为异常情况，比如说像短路、过功率等等，造成变压器的电流急剧上升这样恶化的情况。
 
第三是过温保护功能。过温保护对于功率器件的保护非常重要，目前纳微的保护机理是设置一个区间，获取GaN晶圆上的温度，当这个温度超过设定的160度阈值后，直接把芯片断电，待芯片自然冷却到低于100度时，再去参考PMW信号，当有信号时候芯片继续工作。
 
第四是智能待机功能。待机功耗的问题对于充电器来说非常重要，相比于GaNFast^TM，GaNSense^TM技术更加完善并简单。现在很多能效标准都要求待机做到25毫瓦、30毫瓦以内，早期的GaNFast^TM系列因为集成了芯片的功能，其静态电流在700微安或1毫安。尽管电流也是非常小的，因为考虑待机问题，我们通常外边会做个线路，把待机时候的VCC切断，所以系统会相对复杂一些。而GaNSense^TM技术会智能检测PWM信号，当PWM信号是工作正常的时候，这个智能待机方式不发挥，当系统进入跳周期的模式之后，通过检测让芯片进入待机模式，整个待机电流从原来的接近1毫安降到接近100微安，所以整个待机功耗就可以下降很多。同时唤醒速度也非常快，当第一次出现脉冲的时候，30纳秒就可以马上进入正常工作模式。
 
三大应用场景，GaNSense^TM解决方案已落地
 
据黄秀成介绍，GaNSense^TM主要有三个应用场景：
 
第一个，目前快充最火爆的QR Flyback的应用场景，可以代替掉原边的主管和采样电阻；
 
第二个应用场景就是带PFC功能，在这两个拓扑下我们的效率提升在90V输出条件下至少可以提升0.5%的能效；
 
第三个应用场景，非对称半桥，随着PD 3.1的代入，非对称半桥这个拓扑一定会慢慢地火起来,这个拓扑里面有两个芯片，作为主控管可以用GaNSense^TM，因为也需要采用电流，上管作为同步管可以用GaNFast^TM系列代替。
 
据透露，目前使用GaNSense^TM方案的产品已经实现了量产。比如小米120W的氮化镓，作为目前是业界最小120W解决方案，其采用PFC加上QR的系统框架，使用了两颗NV6134 GaNSense^TM系列，相比于传统的之前已经量产的硅的方案，GaNSense^TM解决方案比硅方案提升了1.5%的效率。除此之外，联想YOGA 65W双C口充电器，也是采用了NV6134的解决方案。
 
未来不止于手机充电器
 
从产品面向的市场来看，不难看出纳微从一开始就是以消费类电源为切入点，这与传统GaN的厂商从工业类、汽车类入手有点不同。
 
李铭钊认为，在消费类市场铺垫，把整体GaN的量冲起来，在市场里可以印证纳微的技术。“通过消费类市场，把我们的技术和产能、周边的生态圈很快建立起来。现在纳微氮化镓整个生态圈布局，相对硅来说非常非常快。通过大量消费类应用的巨大市场，拉动整个产业链跟上。所以，未来GaN的市场局部会更快。”
 
除了消费类市场，纳微正在扩展到服务器电源领域，太阳能领域，电动汽车的领域。据了解，目前纳微服务器电源领域的团队在杭州已经正式成立，并已开始打造第一款服务器的产品。另外，纳微的电动汽车团队也已经在上海开始招聘。
 
据了解，每出货一个氮化镓功率芯片，生产制造过程相比硅芯片可以减少4公斤的二氧化碳排放。氮化镓节能的特性是实现碳排放、碳中和非常重要的手段，在当下碳中和已经逐渐成为“刚需”的节点，未来氮化镓的应用前景必然会更加广泛。