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。面對這些傳統(tǒng)功率器件巨頭的競爭，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，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(以下簡稱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，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、新一代移動通信、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，被視為支撐能源、交通、信息、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，全球市場容量未來將達(dá)到百億美元，已成為美國、歐洲、日本半導(dǎo)體行業(yè)的重點研究方向之一。2015年5月8日，在國務(wù)院印發(fā)《中國制造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則相對緩慢，成長率約在21%左右。預(yù)計GaN基功率半導(dǎo)體市場將飛速增長，這種形勢已吸引許多公司進(jìn)入這個市場。根據(jù)報道，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，以跟上過去十年來筆記型電腦在更小尺寸和更輕重量兩方面的顯著改變。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，需要98-115cc（或6-7in3）和重量達(dá)300g，基于AllGaN?功率IC的65W新設(shè)計體積僅為45cc（或2.7in3），而重量僅為60g。

現(xiàn)場展示的電源適配器

最近獲得engadget網(wǎng)站報道的Made in Mind公司的Mu One 45W適配器就采用這款參考設(shè)計，這款適配器目前已經(jīng)通過kickstaerter渠道，在量產(chǎn)后將在機(jī)場、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個毫米的厚度。

Made in Mind首席執(zhí)行官M(fèi)athew Judkins評論道：“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了巨大優(yōu)勢，連同其他先進(jìn)技術(shù)，大大提升了消費(fèi)者對我們的新產(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)計人員面臨幾個業(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，會讓充電的Power功率提高，同時傳統(tǒng)的設(shè)計也會讓筆記本電腦、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)的過程中小型化。 此外，NAVITAS還宣布用GaN功率IC設(shè)計的65W參考設(shè)計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)計快了3至4倍，損耗降低40%，從而實現(xiàn)更小的尺寸和更低的成本。該設(shè)計完全符合歐盟CoCTier2及美國能源部6級(DoEVI)所規(guī)范的能效標(biāo)準(zhǔn)，更在滿負(fù)載下實現(xiàn)超過94%的最高尖峰效率。

GaN功率器件的普及難點與挑戰(zhàn)？

目前市場上依然以硅功率器件為主流，GaN功率器件要普及有何難點？GaN功率器件的技術(shù)特點有何不同？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問題：第一是開關(guān)頻率越高，效率將會下降越快，發(fā)熱問題會很嚴(yán)重。而GaN功率器件會在頻率提高的同時降低體積，和功率密度大幅度上升，同時解決發(fā)熱問題。

第二是硅器件是垂直的架構(gòu)，不能集成外圍的Driver。相對來說GaN功率器件是平面架構(gòu)，可以把外圍驅(qū)動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，對于GaN功率器件來說，過去10年最重要的挑戰(zhàn)是可靠性問題。“可靠性一直是客戶對新技術(shù)采用的主要顧慮，在過去的三年中，隨著臺積電的工藝提升，我們和友商已經(jīng)基本解決了可靠性問題。”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)過了市場驗證。

除了可靠性問題，GaN的開關(guān)頻率非常快，但驅(qū)動很難做，目前主要的GaN玩家都是定制驅(qū)動為主，這里會存在很多技術(shù)壁壘。不過對于NAVITAS來說，這個不是問題，NAVITAS將自己的驅(qū)動技術(shù)集成在一起做成了一個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，在未來的5G應(yīng)用中的微型基站將對GaN產(chǎn)生大量需求，這些基站對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GaN功率器件的效率提升來節(jié)省成本。

另一種第三代半導(dǎo)體材料碳化硅是對傳統(tǒng)硅器件的一個突破，由于GaN是基于硅的基礎(chǔ)來生長材料，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)用場景，如汽車、火車等，對于成本并不敏感。相對來說GaN在電動汽車領(lǐng)域會和碳化硅有一定的競爭。GeneSheridan認(rèn)為，50千瓦以上毫無疑問是碳化硅的市場，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。GaN Systems亞洲高級營銷總監(jiān)Charles Bailley表示，就電學(xué)性質(zhì)與物理特性來相比，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。