文｜周雅

剛剛過(guò)去的10月底，納微半導(dǎo)體（Navitas Semiconductor）成功在納斯達(dá)克上市，上市當(dāng)天企業(yè)價(jià)值10億美元。1個(gè)月后，納微半導(dǎo)體再進(jìn)一步，推出采用GaNSenseTM技術(shù)的新一代智能GaNFastTM氮化鎵功率芯片，為氮化鎵技術(shù)的探索翻開(kāi)了新的一頁(yè)。

氮化鎵VS傳統(tǒng)的硅，節(jié)能又減排

眾所周知，硅作為晶體管的首選材料，一直是半導(dǎo)體科技的基石。然而隨著普遍認(rèn)為硅的技術(shù)接近發(fā)展極限，業(yè)界正在尋求替代方案，氮化鎵因此走上臺(tái)前。

氮化鎵(Gallium nitride，簡(jiǎn)稱(chēng)GaN) ，顧名思義，是氮化鎵的化合物。納微半導(dǎo)體銷(xiāo)售營(yíng)運(yùn)總監(jiān)李銘釗介紹道：“氮化鎵的特性與硅有很大區(qū)別。”比如，氮化鎵擁有更小體積和重量，開(kāi)關(guān)速度比硅快20倍；同時(shí)功率密度提升3倍，意味著充電速度也可以做到更快；同樣的體積，同樣的充電速度，用硅的方案來(lái)做成本更貴，而利用氮化鎵，系統(tǒng)待機(jī)節(jié)約20%。更重要的是，它在某些系統(tǒng)里可以節(jié)能40%，這對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)有著極大助益。

圖：納微半導(dǎo)體銷(xiāo)售營(yíng)運(yùn)總監(jiān)李銘釗（Edwin Lee）

不過(guò)相較于有著近50多年歷史的硅材料來(lái)說(shuō)，氮化鎵才發(fā)展了20年，而最近幾年才步入加速通道。在不斷優(yōu)化自身、提升產(chǎn)能、控制成本的前提下，氮化鎵如今逐漸應(yīng)用于消費(fèi)、工業(yè)領(lǐng)域。

現(xiàn)階段，氮化鎵的主要應(yīng)用場(chǎng)景是智能手機(jī)、筆記本電腦充電器。尤其隨著這些設(shè)備的電池容量越來(lái)越大，氮化鎵一方面可以幫助減小充電器體積，另一方面則可以提升充電器的功率、大幅縮短充電時(shí)間。

作為全球首家以集成式氮化鎵功率芯片為核心業(yè)務(wù)并成功上市的公司，納微半導(dǎo)體一直在關(guān)注氮化鎵技術(shù)的迭代、發(fā)展與趨勢(shì)。李銘釗指出，氮化鎵未來(lái)在消費(fèi)電子（平面電視、游戲機(jī)、平板等）、電動(dòng)汽車(chē)、數(shù)據(jù)中心、太陽(yáng)能等領(lǐng)域都有廣闊前景。

具體而言，消費(fèi)電子類(lèi)產(chǎn)品追求更小更輕，利用氮化鎵，每年約有20億美金左右的市場(chǎng)機(jī)會(huì)；在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，每年利用氮化鎵可以省下約19億美元電費(fèi)，潛力巨大；太陽(yáng)能方面，加上太陽(yáng)能逆變器，消費(fèi)者可以用到更便宜的電力；電動(dòng)汽車(chē)可以把車(chē)?yán)锏腛BC和DCDC做到更小更輕，就能放更多的鋰電池，讓車(chē)跑的時(shí)間更長(zhǎng)、距離更遠(yuǎn)。

李銘釗強(qiáng)調(diào)：“納微氮化鎵的節(jié)能特性，是減少碳排放、實(shí)現(xiàn)碳中和的重要手段。”每出貨一個(gè)氮化鎵功率芯片，生產(chǎn)和制造過(guò)程相比硅芯片可以減少4公斤的二氧化碳排放。氮化鎵的特點(diǎn)是，能夠節(jié)省芯片周邊的外部器件，用更少的外部器件做相同的東西，用硅的方案做一個(gè)服務(wù)器電源，可能有一千個(gè)外部器件在里邊，用氮化鎵可能只用到600多個(gè)，而原本生產(chǎn)這些器件也會(huì)產(chǎn)生碳排放。

從GaNFast到GaNSense，有哪些變革？

在功率氮化鎵領(lǐng)域，目前主要有兩大“流派”，一個(gè)是dMode常開(kāi)型，另外一個(gè)是eMode常關(guān)型，納微半導(dǎo)體屬于后者。不過(guò)與傳統(tǒng)的氮化鎵單管不同，納微半導(dǎo)體在技術(shù)路線上采用的是將氮化鎵器件、驅(qū)動(dòng)、控制和保護(hù)集成到一起。

圖：納微半導(dǎo)體高級(jí)應(yīng)用總監(jiān)黃秀成

集成以后帶來(lái)什么好處呢？納微半導(dǎo)體高級(jí)應(yīng)用總監(jiān)黃秀成回答道，首先，傳統(tǒng)硅器件參數(shù)不夠優(yōu)異，如開(kāi)關(guān)速率較低、開(kāi)關(guān)頻率容易受限制，而由于開(kāi)關(guān)比率較低，其儲(chǔ)能元件使用的電感電容尺寸就相對(duì)較大，導(dǎo)致電源功率密度相對(duì)較低，目前業(yè)界通常小于0.5W/cc；其次，分立式氮化鎵則因?yàn)槭芟抻隍?qū)動(dòng)線路的復(fù)雜性，加上受限于外部器件布局、布線參數(shù)等因素的影響，其開(kāi)關(guān)頻率就無(wú)法發(fā)揮到氮化鎵本應(yīng)有的高度。

而納微的功率氮化鎵器件集成了驅(qū)動(dòng)、控制和保護(hù)在其中，就可以不依賴(lài)外部集成參數(shù)的影響，讓開(kāi)關(guān)頻率得到充分釋放。目前，納微的電源適配器主流開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到300-400K，模塊電源合作伙伴甚至已經(jīng)設(shè)計(jì)到了MHz級(jí)，因此納微設(shè)計(jì)出來(lái)的功率密度，比傳統(tǒng)硅或分立式氮化鎵要高很多，很多案例產(chǎn)品都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1W/cc的功率密度，這是納微在氮化鎵功率器件領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

目前，納微的氮化鎵在市面上的主流系列是GaNFastTM，它把驅(qū)動(dòng)控制和保護(hù)做在功率器件上面，主要采用QFN封裝技術(shù)，使其大體布局和傳統(tǒng)的硅和分立式氮化鎵區(qū)別不大，因此有著同樣出色的泛用性。

GaNSenseTM，是納微在GaNFastTM基礎(chǔ)上做的進(jìn)一步性能提升，它可以替代原有的GaNFastTM，其中包含了無(wú)損電流采樣，待機(jī)功耗節(jié)省以及更多保護(hù)功能的集成。

黃秀成指出，全新的GaNSenseTM系列具備四項(xiàng)突出優(yōu)勢(shì)：

第一，無(wú)損可編程的電流采樣，這是納微半導(dǎo)體的專(zhuān)利技術(shù)。它主要代替了原來(lái)采樣電阻的功能。原本，功率回路里有功率器件+功率采樣電阻這兩個(gè)產(chǎn)生損耗的元件，而變成無(wú)損采樣之后，可以節(jié)省損耗、能效提升。此外還有兩個(gè)衍生的好處：一是PCB布局面積更小、更靈活、更簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樵瓉?lái)采樣電阻通常會(huì)采用3毫米乘以4毫米封裝，但通過(guò)內(nèi)部集成，無(wú)損采樣的方案，可以縮減PCB尺寸；二是解決熱耦合問(wèn)題，原來(lái)有兩個(gè)發(fā)熱元件在這個(gè)系統(tǒng)里面，現(xiàn)在直接拿掉一個(gè)，整體的熱系數(shù)表現(xiàn)會(huì)更好，耦合系數(shù)更低，而器件本身工作溫度更低，系統(tǒng)效率也會(huì)提升。

第二，過(guò)流保護(hù)技術(shù)。GaNSenseTM技術(shù)外部基于采樣電阻，采到的信號(hào)交由控制器判斷是否發(fā)生過(guò)流情況；內(nèi)部設(shè)定了一個(gè)閾值，如果觸碰到閾值，直接關(guān)掉，避免出現(xiàn)如短路、過(guò)功率等等情況。

第三，過(guò)溫保護(hù)技術(shù)。與過(guò)流保護(hù)同理，內(nèi)部設(shè)置閾值160度，超過(guò)閾值直接把芯片關(guān)掉，芯片會(huì)自然冷卻，冷卻到低于100度，再去參考PMW信號(hào)，有信號(hào)時(shí)繼續(xù)工作，如果異常情況沒(méi)有解除，溫度繼續(xù)上升，閾值碰到160度繼續(xù)關(guān)斷，在區(qū)間內(nèi)精準(zhǔn)控制節(jié)溫的范圍。

第四，智能待機(jī)技術(shù)，彌補(bǔ)了GaNFastTM之前的不足。待機(jī)問(wèn)題對(duì)于充電器來(lái)說(shuō)非常重要，目前最嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)是做到25毫瓦或30毫瓦以內(nèi)。納微在GaNFastTM上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超低待機(jī)功耗，但是為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相對(duì)復(fù)雜一些。而更加完善的GaNSenseTM技術(shù)，通過(guò)智能檢測(cè)PWM信號(hào)讓芯片進(jìn)入待機(jī)模式，整個(gè)待機(jī)電流從GaNFastTM的接近1毫安降低到接近100微安，這使得整體待機(jī)功耗大幅下降。同時(shí)，納微半導(dǎo)體也對(duì)待機(jī)喚醒做了優(yōu)化，當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)脈沖時(shí)，30納秒之內(nèi)就可進(jìn)入正常工作模式。

此外，GaNSenseTM主要有三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。第一，目前快充最火爆的QR Flyback的應(yīng)用場(chǎng)景，可以代替原先的主管和采樣電阻；第二，帶PFC功能的場(chǎng)景，可以提升能效；第三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是非對(duì)稱(chēng)半橋，隨著PD 3.1的代入，非對(duì)稱(chēng)半橋這個(gè)拓?fù)湟欢〞?huì)慢慢地火起來(lái)，這個(gè)拓?fù)淅锩嬗袃蓚€(gè)芯片，作為主控管可以用GaNSenseTM，因?yàn)橐残枰蓸与娏?，上管作為同步管則可以用GaNFastTM系列代替。

目前，納微GaNSenseTM系列已經(jīng)全面上市，擁有6×8，5×6等不同規(guī)格的封裝，擁有最小120毫歐、最大450毫歐等覆蓋從二十幾瓦快充到一兩百瓦快充不同選擇。此外，合作客戶也已經(jīng)開(kāi)始使用GaNSenseTM，比如小米已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的120W氮化鎵充電頭，是目前業(yè)界最小的120W解決方案；還有聯(lián)想YOGA 65W雙C。

20年砥礪前行，不忘初心

納微半導(dǎo)體成立于2014年，擁有一支強(qiáng)大且不斷壯大的功率半導(dǎo)體行業(yè)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，在材料、器件、芯片設(shè)計(jì)、應(yīng)用、系統(tǒng)和營(yíng)銷(xiāo)方面經(jīng)驗(yàn)豐富，目前公司已經(jīng)拿到專(zhuān)利超過(guò)200多件，還有超過(guò)100多件在準(zhǔn)備申請(qǐng)中。

作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，納微深知上下游產(chǎn)業(yè)鏈及合作伙伴關(guān)系的重要性。目前，納微與全球諸多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、學(xué)院都有緊密合作，其中包括美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子研究中心（CPES），佛羅里達(dá)州立大學(xué)，斯坦福大學(xué)等，開(kāi)展各種高頻高密度電源開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。而在中國(guó)，納微半導(dǎo)體與浙江大學(xué)、福州大學(xué)、南航等院校進(jìn)行課題研究，以保證其在芯片層面、器件層面以及系統(tǒng)應(yīng)用層面的領(lǐng)先性。

此外，納微半導(dǎo)體還積極與磁芯廠商合作，研究如何降低電源成本；與電容電解廠商合作，滿足定制化需求；同時(shí)還與PCB、平板變壓器等不同領(lǐng)域的企業(yè)合作，將上游生態(tài)圈完善的同時(shí)，讓下游終端客戶和ODM廠商在短時(shí)間內(nèi)推出更多的產(chǎn)品。

“在氮化鎵上做芯片是納微的原創(chuàng)之舉。”黃秀成表示，從2000年初開(kāi)始研究氮化鎵至今，納微團(tuán)隊(duì)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。從此前的GaNFastTM，到如今的GaNSenseTM，納微半導(dǎo)體在氮化鎵功率芯片領(lǐng)域構(gòu)筑起堅(jiān)實(shí)的技術(shù)壁壘，在注重實(shí)現(xiàn)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的同時(shí)，不斷縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，為上下游合作伙伴帶去助益，讓整個(gè)生態(tài)蓬勃發(fā)展。

目前，納微的氮化鎵芯片由臺(tái)積電2號(hào)工廠代工，主要為6寸晶圓，芯片出貨量已達(dá)3000萬(wàn)顆，品控實(shí)現(xiàn)零故障，產(chǎn)出能力90%以上，交付周期為12周左右。

李銘釗最后透露，在納微未來(lái)5年的計(jì)劃中，服務(wù)器是第二步，第三步是工業(yè)類(lèi)，第四步是汽車(chē)類(lèi)發(fā)展。公司與汽車(chē)零件生產(chǎn)公司的合作正在推進(jìn)中。