释放GaN全部潜力，GaNSense进一步提高GaN功率芯片集成度

随着苹果新一代的140W氮化镓（GaN）快充面世，GaN进一步走进了大众视线。GaN具备超过硅20倍的开关速度，3倍的禁带宽度。天然的优势可以让整体的电源设计功率密度更高，让整体电源方案体积和重量更小。但GaN作为一种新材料器件，要发挥其真正的优势，仍需要很多的新的技术积累来支撑。“分离GaN电源方案可以将功率密度提升到传统硅方案的2倍3倍，但远未能达到1W/cc的数字。”纳微半导体高级应用总监黄秀成分享到，“纳微半导体的集成方案可以将GaN的开关频率和速度优势充分释放，我们的很多案例已经远大于1W/cc。”近日Navitas纳微半导体发布了全新的GaNSense技术，在GaNFast的基础上进一步提升了集成度。

GaNFast：集成方案才能发挥GaN潜力

目前功率GaN有两个主要的流派，如下图所示，一个是dMode常开型，这种技术路线需要在GaN之外增加额外的硅FET级联配置，也可以将其与控制器、GaN合封在一起组成集成的方案。另一种是eMode常关型，需要特殊的栅极驱动器来驱动GaN。在eMode常关型这条技术路线上，将控制、驱动和保护等集成在一个芯片上的集成方案，以纳微半导体的GaNFast为代表。据黄秀成分享，氮化镓驱动线路复杂性较高，分立方案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。GaNFast集成了控制、驱动和保护在里面，就可以不依赖于外部集成参数影响，所以设计出来的功率密度比传统的硅或者分立式的氮化镓高得多。

但GaNFast并不是常开型GaN功率器件高度集成的终点。在纳微半导体美股上市不到一个月后，GaNSense新技术就重磅发布，为GaNFast集成了更多具有竞争力的功能：无损电流采样、过流保护、过温保护和智能待机。

全新GaNSense技术：GaN功率方案集成度更进一步

GaNSense新技术加持的GaNFast功率芯片，在四大方面实现了智能化的GaN方案突破。

无损电流采样的方式是通过采集GaN晶元上某些具有代表性cell的电流信号，然后经过电流电压转换，最终以一种电流源的输出到外部的可编程电阻上，通过调节电阻大小来复现出流经GaN的电流。据黄秀成分享，以NV6134这一型号产品举例，虽然规格书中标注的是4～5%的证书偏差，但经过上千个测试结果显示，采样误差大概在正负1.36%以内，采样精度非常高。

这种无损电流采样的方案可以将传统方案中采样电阻取消，这一损耗完全节省下来， 回路的通态损耗也会减半，从而达到能效提升的效果；另外也进一步节省了PCB面积，实现更灵活和紧凑的布局；去掉之后的热系数也会更好 ，耦合系数更低，器件本身工作温度低了之后，系统整体效率也会提升。

过流保护是基于采样信号在GaN功率芯片内部设定一个过流阈值。传统的分立方案、包括之前的GaNFast的集成方案，都是需要在外部连接一个采样电阻来判断是否发生过流情况。控制器为了避免噪声的问题，回设置一个300ns的delay。而现在GaNSense在内部的阈值反应时间是远远<100ns，节省出来的200ns就可以避免系统因为短路、过功率等异常情况造成的变压器电流急剧上升这样的恶化情况。

据黄秀成分享，如果电流信号触碰到内部设置的阈值，不管外部控制器的PWM信号时高还是低，都会直接关断，从而保护系统里面的串流电流不回继续扩充超过阈值。这是一种逐周期的保护方式， 精准控制过流点在阈值以内。

过温保护的方式同样是采集GaN晶元的温度，当温度超过设定阈值之后，不论外部PWM控制信号是高还是低都直接关断芯片，让芯片自然冷却。芯片冷却到阈值温度以下后，才会重新参考外部的PWM信号，判断是否需要继续工作。这区别于过流保护，并非以一种逐周期的方式，但可以在区间内精准控制节温的范围。

智能待机功能是在GaNFast之前的技术基础上更进了一步。早期的GaNFast虽然内部静态电流仅为700u～1mA，但为了追求更好的待机功耗，仍需要在外部布置线路，在待机时将VCC切断，实现芯片功耗降低。现在的GaNSense技术更加完善，通过智能检测PWM信号来让芯片进入待机模式。当芯片检测到PWM信号表现为非工作频率的周期模式时，就会让芯片进入待机模式，这时候待机电流会从1mA左右降低到100uA左右。另外唤醒的速度也非常关键，GaNSense加持的新一代GaNFast可以在30ns内让芯片重新回到正常工作模式。据黄秀成分享，在同一个平台上，用GaNSense加持的新一代GaNFast替代早期的GaNFast芯片后，可以实现6～7mW的功耗节省，待机功耗境地接近20%，这是非常出色的表现。

从研发、生产到全链AE支持：纳微助力GaN客户创新

从上文中GaNSense的技术细节介绍中我们可以看到，很多技术都需要在晶元层面上实现，对于传统的硅芯片厂商而言，这是一种全新的技术积累，在Si、SiC器件上的一些技术积累并不能够在GaN的设计上直接使用，而且GaN的这些技术创新需要晶圆厂的密切配合，一起进行工艺的设计改良。据纳微半导体销售营运总监李铭钊介绍，纳微现在主要是在台积电的2号工厂里生产，主要生产6寸的晶圆。在封装部分，采用全球前三名的封装厂商，品质控制做到零故障。现在累计出货三千万颗氮化镓功率芯片，确定零故障。产出良率能力90%以上，交付的时间是12周左右。

在产业链的上下游合作上，纳微半导体也一直紧密合作。据徐迎春分享，在纳微半导体的最早期产品研发阶段，就有很多磁芯厂家送磁芯给黄秀成博士评估，如何将其应用到氮化镓领域，还包括磁芯、磁环、滤波器和变压器等，是非常重要一块，在电源中占25%的成本。第二是电解电容，纳微半导体与头部厂商合作，获得定制化的产品来应用到GaN中。第三是PCB和平板变压器等非常核心的技术，也是黄秀成博士在引领。正是这些整个上游生态圈的密切串联，才能够让下游终端客户和ODM客户可以专注于其产品研发。

GaN这样一种全新器件也会带来一种全新的设计，所以对于客户而言，支持的工作也同样重要。纳微在中国部署了强大的AE团队，从客户的需求的定制、需求的讨论，到原理图的绘制，到整个布版的设计，到结构的装配性，一直到EVT（电器性能样机测试），到最后整个详细设计阶段EMI的调试，一直到小批量的试产，中批量的试产，到大批量的量产，纳微都提供全程的服务。在这种支持下，目前已经量产的GaN充电器项目达到了140多例，正在研发的超过150例，获得了超过90%的品牌商认可。

功率GaN的应用不止于快充

GaN功率器件虽然目前在消费类的快充上应用较多，但其实其优异的特性并不仅仅局限于快充，在数据中心、电动汽车等应用上也驱动其创新。纳微半导体也不仅仅只是想做一个快充功率方案的提供商，而是会继续面向数据中心和汽车等方向发力。据李铭钊介绍，传统GaN的厂商都是从工业类、汽车类这边开始来做，纳微半导体跟一开始GaN的厂商不一样，是先从消费类开始铺垫，把整体GaN的量冲起来，在市场里边印证技术、建立产能和周边的生态圈。通过大量消费类应用的巨大市场，拉动整个产业链跟上。在纳微未来5年的计划中，服务器就是第二步，第三步工业类，第四步汽车类发展。

欧盟要求到2023年数据中心的效率曲线最高效率点要提升到96%，要实现这样的表现，传统的硅拓扑会增加非常多的成本。而GaN的方案会有更好的成本和性能的表现，可以为其每年节省19亿的电费。因此纳微半导体将数据中心作为其消费类快充市场拿下之后的第二个主要应用方向，并且已经成立了专门的团队。

此外在太阳能领域，通过GaN的方案可以将逆变器的体积变成更小，将其成本实现25%以上的降低 ，40%以上的节能，将投资回报周期缩短，从而推动住宅太阳能的应用。据悉该市场机会对于GaN功率芯片而言将会是10亿美元/年的规模。

在电动汽车领域上， GaN的主要发力点是OBC和DC/DC部分。目前GaNFast的一些专利技术，譬如OCP、OTP的保护等，都可以应用到汽车应用上。但譬如无损采样等，需要添加一些隔离的功能才能够满足汽车的应用要求。目前纳微半导体也已经在这方面开始进行研发。据悉纳微半导体和国外的汽车零件生产公司已经有一个合作，并将与欧洲的汽车生产商启动一个大的项目。

“现在是氮化镓不断往上走，电压等级、电流等级，功率等级，不断往上探，所以纳微未来的布局有服务器、数据中心、EV等等，我们不断把氮化镓往上探。”黄秀成分享到，“本身氮化镓往上探没有限制，我们在年底或明年就会出小于20毫欧的器件，这意味着我们可以做到单体3.3千瓦到5千瓦的功率，未来我们做这个模块，比如3个die，或者几个die，做桥壁做并联等等，很快功率等级从10千瓦到20千瓦、30千W，EV充电桩，甚至电动汽车的主驱，都是在我们的规划当中，那个时候看氮化镓完全是另外一个基调，这是我们对未来市场的判断。”

总结

GaNSense新技术的加持，让新一代的GaNFast芯片的集成度进一步提升，智能化的程度提升。基于此，客户的整体方案设计也可以变成更为简洁和高效。正如纳微半导体远瞻，从消费类市场对GaN芯片需求起量之后， 未来GaN将会在更多应用领域发挥其价值。再过五年，十年，GaN的芯片应用会是更大的一个市场。

备注：GaNSense、GaNFast均为纳微半导体注册商标