Dialog、恩智浦、安森美半導(dǎo)體、TI等公司正在開發(fā)GaN基功率半導(dǎo)體器件。面對(duì)這些傳統(tǒng)功率器件巨頭的競(jìng)爭(zhēng)，NAVITAS如何突出重圍呢？

多家半導(dǎo)體公司布局氮化鎵功率器件

近年來(lái)，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(以下簡(jiǎn)稱GaN)等寬禁帶化合物為代表的第三代半導(dǎo)體材料引發(fā)全球矚目。由于其具有禁帶寬、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、飽和電子遷移率高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，被視為支撐能源、交通、信息、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，全球市場(chǎng)容量未來(lái)將達(dá)到百億美元，已成為美國(guó)、歐洲、日本半導(dǎo)體行業(yè)的重點(diǎn)研究方向之一。2015年5月8日，在國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》中4次提到以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體功率器件，可見第三代半導(dǎo)體行業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要地位。

調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole預(yù)估，氮化鎵元件2015年～2021年的成長(zhǎng)率將達(dá)83%，其中電源供應(yīng)器將占相當(dāng)大的一部份，近六成左右，而碳化硅同期的成長(zhǎng)則相對(duì)緩慢，成長(zhǎng)率約在21%左右。預(yù)計(jì)GaN基功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將飛速增長(zhǎng)，這種形勢(shì)已吸引許多公司進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。根據(jù)報(bào)道，EPC、GaN系統(tǒng)、英飛凌、松下和Transphorm已經(jīng)開始出貨這種器件。此外，Dialog、恩智浦、安森美半導(dǎo)體、TI等公司正在開發(fā)GaN基功率半導(dǎo)體器件。

全球最小65W電源適配器發(fā)布

納微(以下簡(jiǎn)稱Navitas)半導(dǎo)體公司在近日推出世界上最小的65W USB-PD(Type-C)電源適配器參考設(shè)計(jì)，以跟上過(guò)去十年來(lái)筆記型電腦在更小尺寸和更輕重量?jī)煞矫娴娘@著改變。這款高頻及高效的All GaN?功率IC，可縮小變壓器、濾波器和散熱器的尺寸、減輕重量和降低成本。相比現(xiàn)有的基于硅類功率器件的設(shè)計(jì)，需要98-115cc（或6-7in3）和重量達(dá)300g，基于AllGaN?功率IC的65W新設(shè)計(jì)體積僅為45cc（或2.7in3），而重量?jī)H為60g。

現(xiàn)場(chǎng)展示的電源適配器

最近獲得engadget網(wǎng)站報(bào)道的Made in Mind公司的Mu One 45W適配器就采用這款參考設(shè)計(jì)，這款適配器目前已經(jīng)通過(guò)kickstaerter渠道，在量產(chǎn)后將在機(jī)場(chǎng)、主要街道和網(wǎng)上商店銷售。即可以給筆記本也可以給手機(jī)充電。Mu One 45W也是世界上最薄的45瓦的充電器，可以做到14個(gè)毫米的厚度。

Made in Mind首席執(zhí)行官M(fèi)athew Judkins評(píng)論道：“Made in Mind一向致力于挑戰(zhàn)行業(yè)規(guī)范，我們尋求志同道合的最出色合作伙伴。Mu One中的納微GaNFast芯片在充電速度、效率和尺寸方面帶來(lái)了巨大優(yōu)勢(shì)，連同其他先進(jìn)技術(shù)，大大提升了消費(fèi)者對(duì)我們的新產(chǎn)品系列在性能和便利性的期望。”

電源適配器設(shè)計(jì)面臨的業(yè)界挑戰(zhàn)？

隨著筆記本電腦的電源適配器體積和成本的降低，電源適配器的設(shè)計(jì)人員面臨幾個(gè)業(yè)界挑戰(zhàn)，從新的USB Type-C連接和USB PD（電力輸送）的輸出是否符合法定的能效標(biāo)準(zhǔn)。隨著Type-C充電的控制方式逐漸變成PD的通信協(xié)議，會(huì)讓充電的Power功率提高，同時(shí)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)也會(huì)讓筆記本電腦、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的尺寸變大。而納微的單芯片GaN功率IC可以幫助這些應(yīng)用從Type-C向PD轉(zhuǎn)的過(guò)程中小型化。 此外，NAVITAS還宣布用GaN功率IC設(shè)計(jì)的65W參考設(shè)計(jì)NVE028A采用有源鉗位反激(ACF)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的，開關(guān)速度比典型的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)快了3至4倍，損耗降低40%，從而實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更低的成本。該設(shè)計(jì)完全符合歐盟CoCTier2及美國(guó)能源部6級(jí)(DoEVI)所規(guī)范的能效標(biāo)準(zhǔn)，更在滿負(fù)載下實(shí)現(xiàn)超過(guò)94%的最高尖峰效率。

GaN功率器件的普及難點(diǎn)與挑戰(zhàn)？

目前市場(chǎng)上依然以硅功率器件為主流，GaN功率器件要普及有何難點(diǎn)？GaN功率器件的技術(shù)特點(diǎn)有何不同？與傳統(tǒng)硅功率器件的區(qū)別，傳統(tǒng)硅的開關(guān)頻率是100K左右，GaN功率器件可以做到1Mzh頻率，甚至100倍以上。

GaN功率器件可以解決硅器件的幾個(gè)問(wèn)題：第一是開關(guān)頻率越高，效率將會(huì)下降越快，發(fā)熱問(wèn)題會(huì)很嚴(yán)重。而GaN功率器件會(huì)在頻率提高的同時(shí)降低體積，和功率密度大幅度上升，同時(shí)解決發(fā)熱問(wèn)題。

第二是硅器件是垂直的架構(gòu)，不能集成外圍的Driver。相對(duì)來(lái)說(shuō)GaN功率器件是平面架構(gòu)，可以把外圍驅(qū)動(dòng)和控制電路集成在一起，這樣IC可以做得非常小，而成本可以做得更便宜。

納微半導(dǎo)體首席執(zhí)行官GeneSheridan認(rèn)為，對(duì)于GaN功率器件來(lái)說(shuō)，過(guò)去10年最重要的挑戰(zhàn)是可靠性問(wèn)題?！翱煽啃砸恢笔强蛻魧?duì)新技術(shù)采用的主要顧慮，在過(guò)去的三年中，隨著臺(tái)積電的工藝提升，我們和友商已經(jīng)基本解決了可靠性問(wèn)題。”GeneSheridan表示，雖然是初創(chuàng)公司，但是NAVITAS現(xiàn)在合作的都是TSMC和安靠這樣的大的半導(dǎo)體制造商，在生產(chǎn)制造方面非常成熟，可靠性也經(jīng)過(guò)了市場(chǎng)驗(yàn)證。

除了可靠性問(wèn)題，GaN的開關(guān)頻率非?？?，但驅(qū)動(dòng)很難做，目前主要的GaN玩家都是定制驅(qū)動(dòng)為主，這里會(huì)存在很多技術(shù)壁壘。不過(guò)對(duì)于NAVITAS來(lái)說(shuō)，這個(gè)不是問(wèn)題，NAVITAS將自己的驅(qū)動(dòng)技術(shù)集成在一起做成了一個(gè)Power IC。

采用GaN功率器件，除了可以將電源適配器與充電器體積做得更小外，在未來(lái)的5G應(yīng)用中的微型基站將對(duì)GaN產(chǎn)生大量需求，這些基站對(duì)于電源的功率要求很高，而且要求體積做到很小。此外，目前火熱的比特幣礦機(jī)，挖礦的電力成本已經(jīng)占到總成本的60%，因此需要通過(guò)GaN功率器件的效率提升來(lái)節(jié)省成本。

另一種第三代半導(dǎo)體材料碳化硅是對(duì)傳統(tǒng)硅器件的一個(gè)突破，由于GaN是基于硅的基礎(chǔ)來(lái)生長(zhǎng)材料，從成本角度比碳化硅更便宜。此外碳化硅更適用于50千瓦以上更大功率的應(yīng)用場(chǎng)景，如汽車、火車等，對(duì)于成本并不敏感。相對(duì)來(lái)說(shuō)GaN在電動(dòng)汽車領(lǐng)域會(huì)和碳化硅有一定的競(jìng)爭(zhēng)。GeneSheridan認(rèn)為，50千瓦以上毫無(wú)疑問(wèn)是碳化硅的市場(chǎng)，從20千瓦到50千瓦之間，碳化硅和氮化鎵都可以扮演重要角色，而20千瓦以下則主要是GaN的市場(chǎng)。GaN Systems亞洲高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān)Charles Bailley表示，就電學(xué)性質(zhì)與物理特性來(lái)相比，氮化鎵與碳化硅皆采寬帶隙技術(shù)，碳化硅的熱導(dǎo)率3.5W/m-K高于氮化鎵1.5W/m-K，因此較適用于高功率應(yīng)用。