在氮化镓上做芯片 纳微半导体的「GaNSense」有何独到之处

2021年10月，纳微半导体（股票代码：NVTS）成功在纳斯达克上市。作为立足于中国本土的、全球领先的氮化镓功率芯片公司，纳微半导体目前已经拿下超过200多项专利。近日，纳微半导体再进一步，推出了新一代采用GaNSense技术的智能GaNFast氮化镓功率芯片，为氮化镓技术的发展翻开了新篇章。

GaNSense技术集成了关键、实时、智能的传感技术和保护电路，进一步提高纳微半导体在功率半导体行业领先的可靠性和稳健性，同时增加了纳微氮化镓功率芯片技术的节能和快充优势。

纳微半导体所生产的氮化镓芯片由台积电2号工厂代工，主要为6寸晶圆，目前出货量达到三千万个，实现零故障，交付周期为12周左右。

·纳微氮化镓：助力实现碳中和目标

相对于传统硅而言，氮化镓拥有更的小体积和重量，功率密度提升3倍，开关速度比硅快20倍，充电速度也更快。同时它在某些系统里可以做到40%节能，对实现国家的碳中和目标有着极大助益。此外，氮化镓相对于硅而言，电源系统成本更低。

不过相对于有着近50多年历史的硅材料来说，氮化镓刚刚才发展了20年，而近几年，其发展才步入加速通道。在不断提升产能，降低成本的前提下，氮化镓如今已经逐渐落地在消费以及工业领域。

现阶段，智能手机、笔记本电脑充电器是氮化镓的主要应用场景。尤其是随着这些设备所使用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，另一方面则可以大幅缩短充电时间。

目前，纳微半导体主要合作伙伴包括了小米、OPPO、联想、戴尔等全球知名厂商。而除了充电器之外，平面电视，游戏机，平板电脑等消费类产品都是纳微半导体关注的领域。同时，数据中心、太阳能逆变器、新能源汽车等领域，也能够从氮化镓功率芯片中获益，有效实现节能减排目标。

纳微半导体销售运营总监李铭钊表示：“纳微氮化镓的节能特性，是实现碳排放、碳中和目标的非常重要的手段。每出货一个氮化镓功率芯片，一年就可以减少4公斤二氧化碳排放。氮化镓的特点是生产时不需要那么多外部零件，用更少的零件做到相同的东西，比如用硅方案做一个服务器电源，可能有一千个零件在里边，而用氮化镓去做的话，可能只用到600多个零件，减少400个零件。再比如PCBA，其在产生时会产生相当多的废物，而运用纳微氮化镓功率芯片的话，这些多余的碳排放将得到有效缩减。”

·从GaNFast到GaNSense：让领先技术变得更加完美

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。不过相比传统常关型氮化镓功率器件而言，纳微半导体做了进一步的驱动集成、保护集成和控制集成。那么为什么要这样做呢？

传统硅器件在参数方面不够优异，如开关速率较低、开关频率易受限制。而因为开关比率较低，因此其储能元件使用的电感电容尺寸都相对比较大，导致电源功率密度相对比较低，目前业界通常小于0.5W/cc。而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以及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。

而纳微半导体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，纳微半导体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，因此纳微半导体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，这是纳微半导体氮化镓功率器件领域的优势。

目前，纳微半导体氮化镓在市面上的主流系列是GaNFast，它将驱动控制和保护做在功率器件上面，同时采用QFN封装技术，使其大体布局与传统硅和分立式氮化镓没有太大区别，因此有着同样出色的泛用性。

GaNSense，是纳微半导体在GaNFast基础上做的进一步性能提升，它可以替代原有的GaNFast，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。

全新的GaNSense系列具备几个突出优势，其中包括：

其一，无损可编程的电流采样，这是纳微半导体的专利技术。无损电流采样主要是代替了原来采样电阻的功能。原本功率回路里会有功率器件和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，可以将采样电阻损耗节省下来，同时功率回路里面的通态损耗也会减半，这意味着能效会得到提升。此外还有两个衍生而来的好处：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毫米封装采样电阻的形势存在，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，系统效率也会有所提升。

其二，智能待机技术，弥补了GaNFast诸多不足之处。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。纳微半导体在GaNFast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GaNSense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GaNFast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，GaNSense将人体ESD（静电释放）保护、过温过流保护进行了完美地集成，这些变化，使得GaNSense拥有更多全新特性。

而就应用场景来说，纳微半导体高级应用总监黄秀成介绍说：“GaNSense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，可以代替掉原边的主管和采样电阻；第二个应用场景就是带PFC功能，在这两个拓扑下我们的效率提升在90V输入条件下至少可以提升0.5%的能效；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GaNSense，因为也需要采样电流，上管作为同步管则可以用GaNFast系列代替。”

目前，纳微半导体的GaNSense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毫欧等不同选择。此外，合作客户也已经开始使用GaNSense，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。

·20年风雨兼程 构筑起坚实的技术壁垒

目前，纳微半导体与全球诸多学术机构、学院都有紧密合作，其中包括美国电力电子研究中心（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。而在中国本土，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。

从2000年初开始研究氮化镓至今，纳微半导体团队积累了丰富经验。而在氮化镓上做芯片这件事上，则是纳微的原创之举。20多年的努力，纳微半导体已经开发出超过130多项关于功率芯片的专利，从此前的GaNFast到刚刚发布的GaNSense，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，在注重实现碳中和目标的同时，不断缩短设计和生产周期，为上下游合作伙伴带来极大助益，也使自身逐步成为全球领先的氮化镓功率器件企业。