科技行者专访纳微半导体:双碳时代的芯片,可以在氮化镓上造

专访纳微半导体:双碳时代的芯片,可以在氮化镓上造

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2021年11月24日 12:10:43 作者:周雅 科技行者
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纳微半导体如何在氮化镓上造芯片?

作者:周雅 来源:科技行者 2021年11月24日 12:10:43

关键字:芯片 5G 纳微半导体 氮化镓

文|周雅

刚刚过去的10月底,纳微半导体(Navitas Semiconductor)成功在纳斯达克上市,上市当天企业价值10亿美元。1个月后,纳微半导体再进一步,推出采用GaNSenseTM技术的新一代智能GaNFastTM氮化镓功率芯片,为氮化镓技术的探索翻开了新的一页。

专访纳微半导体:双碳时代的芯片,可以在氮化镓上造

氮化镓VS传统的硅,节能又减排

众所周知,硅作为晶体管的首选材料,一直是半导体科技的基石。然而随着普遍认为硅的技术接近发展极限,业界正在寻求替代方案,氮化镓因此走上台前。

氮化镓(Gallium nitride,简称GaN) ,顾名思义,是氮化镓的化合物。纳微半导体销售营运总监李铭钊介绍道:“氮化镓的特性与硅有很大区别。”比如,氮化镓拥有更小体积和重量,开关速度比硅快20倍;同时功率密度提升3倍,意味着充电速度也可以做到更快;同样的体积,同样的充电速度,用硅的方案来做成本更贵,而利用氮化镓,系统待机节约20%。更重要的是,它在某些系统里可以节能40%,这对实现国家“双碳”目标有着极大助益。

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图:纳微半导体销售营运总监李铭钊(Edwin Lee)

不过相较于有着近50多年历史的硅材料来说,氮化镓才发展了20年,而最近几年才步入加速通道。在不断优化自身、提升产能、控制成本的前提下,氮化镓如今逐渐应用于消费、工业领域。

现阶段,氮化镓的主要应用场景是智能手机、笔记本电脑充电器。尤其随着这些设备的电池容量越来越大,氮化镓一方面可以帮助减小充电器体积,另一方面则可以提升充电器的功率、大幅缩短充电时间。

作为全球首家以集成式氮化镓功率芯片为核心业务并成功上市的公司,纳微半导体一直在关注氮化镓技术的迭代、发展与趋势。李铭钊指出,氮化镓未来在消费电子(平面电视、游戏机、平板等)、电动汽车、数据中心、太阳能等领域都有广阔前景。

具体而言,消费电子类产品追求更小更轻,利用氮化镓,每年约有20亿美金左右的市场机会;在数据中心领域,每年利用氮化镓可以省下约19亿美元电费,潜力巨大;太阳能方面,加上太阳能逆变器,消费者可以用到更便宜的电力;电动汽车可以把车里的OBC和DCDC做到更小更轻,就能放更多的锂电池,让车跑的时间更长、距离更远。

李铭钊强调:“纳微氮化镓的节能特性,是减少碳排放、实现碳中和的重要手段。”每出货一个氮化镓功率芯片,生产和制造过程相比硅芯片可以减少4公斤的二氧化碳排放。氮化镓的特点是,能够节省芯片周边的外部器件,用更少的外部器件做相同的东西,用硅的方案做一个服务器电源,可能有一千个外部器件在里边,用氮化镓可能只用到600多个,而原本生产这些器件也会产生碳排放。

从GaNFast到GaNSense,有哪些变革?

在功率氮化镓领域,目前主要有两大“流派”,一个是dMode常开型,另外一个是eMode常关型,纳微半导体属于后者。不过与传统的氮化镓单管不同,纳微半导体在技术路线上采用的是将氮化镓器件、驱动、控制和保护集成到一起。

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图:纳微半导体高级应用总监黄秀成

集成以后带来什么好处呢?纳微半导体高级应用总监黄秀成回答道,首先,传统硅器件参数不够优异,如开关速率较低、开关频率容易受限制,而由于开关比率较低,其储能元件使用的电感电容尺寸就相对较大,导致电源功率密度相对较低,目前业界通常小于0.5W/cc;其次,分立式氮化镓则因为受限于驱动线路的复杂性,加上受限于外部器件布局、布线参数等因素的影响,其开关频率就无法发挥到氮化镓本应有的高度。

而纳微的功率氮化镓器件集成了驱动、控制和保护在其中,就可以不依赖外部集成参数的影响,让开关频率得到充分释放。目前,纳微的电源适配器主流开关频率可以达到300-400K,模块电源合作伙伴甚至已经设计到了MHz级,因此纳微设计出来的功率密度,比传统硅或分立式氮化镓要高很多,很多案例产品都远远大于1W/cc的功率密度,这是纳微在氮化镓功率器件领域的优势。

目前,纳微的氮化镓在市面上的主流系列是GaNFastTM,它把驱动控制和保护做在功率器件上面,主要采用QFN封装技术,使其大体布局和传统的硅和分立式氮化镓区别不大,因此有着同样出色的泛用性。

GaNSenseTM,是纳微在GaNFastTM基础上做的进一步性能提升,它可以替代原有的GaNFastTM,其中包含了无损电流采样,待机功耗节省以及更多保护功能的集成。

黄秀成指出,全新的GaNSenseTM系列具备四项突出优势:

第一,无损可编程的电流采样,这是纳微半导体的专利技术。它主要代替了原来采样电阻的功能。原本,功率回路里有功率器件+功率采样电阻这两个产生损耗的元件,而变成无损采样之后,可以节省损耗、能效提升。此外还有两个衍生的好处:一是PCB布局面积更小、更灵活、更简单,这是因为原来采样电阻通常会采用3毫米乘以4毫米封装,但通过内部集成,无损采样的方案,可以缩减PCB尺寸;二是解决热耦合问题,原来有两个发热元件在这个系统里面,现在直接拿掉一个,整体的热系数表现会更好,耦合系数更低,而器件本身工作温度更低,系统效率也会提升。

第二,过流保护技术。GaNSenseTM技术外部基于采样电阻,采到的信号交由控制器判断是否发生过流情况;内部设定了一个阈值,如果触碰到阈值,直接关掉,避免出现如短路、过功率等等情况。

第三,过温保护技术。与过流保护同理,内部设置阈值160度,超过阈值直接把芯片关掉,芯片会自然冷却,冷却到低于100度,再去参考PMW信号,有信号时继续工作,如果异常情况没有解除,温度继续上升,阈值碰到160度继续关断,在区间内精准控制节温的范围。

第四,智能待机技术,弥补了GaNFastTM之前的不足。待机问题对于充电器来说非常重要,目前最严苛的标准是做到25毫瓦或30毫瓦以内。纳微在GaNFastTM上已经实现了超低待机功耗,但是为了实现这一点,整个系统设计的相对复杂一些。而更加完善的GaNSenseTM技术,通过智能检测PWM信号让芯片进入待机模式,整个待机电流从GaNFastTM的接近1毫安降低到接近100微安,这使得整体待机功耗大幅下降。同时,纳微半导体也对待机唤醒做了优化,当第一次出现脉冲时,30纳秒之内就可进入正常工作模式。

此外,GaNSenseTM主要有三个应用场景。第一,目前快充最火爆的QR Flyback的应用场景,可以代替原先的主管和采样电阻;第二,带PFC功能的场景,可以提升能效;第三个应用场景是非对称半桥,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GaNSenseTM,因为也需要采样电流,上管作为同步管则可以用GaNFastTM系列代替。

目前,纳微GaNSenseTM系列已经全面上市,拥有6×8,5×6等不同规格的封装,拥有最小120毫欧、最大450毫欧等覆盖从二十几瓦快充到一两百瓦快充不同选择。此外,合作客户也已经开始使用GaNSenseTM,比如小米已经实现量产的120W氮化镓充电头,是目前业界最小的120W解决方案;还有联想YOGA 65W双C。

20年砥砺前行,不忘初心

纳微半导体成立于2014年,拥有一支强大且不断壮大的功率半导体行业专家团队,在材料、器件、芯片设计、应用、系统和营销方面经验丰富,目前公司已经拿到专利超过200多件,还有超过100多件在准备申请中。

作为半导体产业,纳微深知上下游产业链及合作伙伴关系的重要性。目前,纳微与全球诸多学术机构、学院都有紧密合作,其中包括美国弗吉尼亚理工大学电力电子研究中心(CPES),佛罗里达州立大学,斯坦福大学等,开展各种高频高密度电源开发项目。而在中国,纳微半导体与浙江大学、福州大学、南航等院校进行课题研究,以保证其在芯片层面、器件层面以及系统应用层面的领先性。

此外,纳微半导体还积极与磁芯厂商合作,研究如何降低电源成本;与电容电解厂商合作,满足定制化需求;同时还与PCB、平板变压器等不同领域的企业合作,将上游生态圈完善的同时,让下游终端客户和ODM厂商在短时间内推出更多的产品。

“在氮化镓上做芯片是纳微的原创之举。”黄秀成表示,从2000年初开始研究氮化镓至今,纳微团队积累了丰富经验。从此前的GaNFastTM,到如今的GaNSenseTM,纳微半导体在氮化镓功率芯片领域构筑起坚实的技术壁垒,在注重实现国家“双碳”目标的同时,不断缩短设计和生产周期,为上下游合作伙伴带去助益,让整个生态蓬勃发展。

目前,纳微的氮化镓芯片由台积电2号工厂代工,主要为6寸晶圆,芯片出货量已达3000万颗,品控实现零故障,产出能力90%以上,交付周期为12周左右。

李铭钊最后透露,在纳微未来5年的计划中,服务器是第二步,第三步是工业类,第四步是汽车类发展。公司与汽车零件生产公司的合作正在推进中。