多家半導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(chēng)GaN)等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體材料引發(fā)全球矚目。由于其具有禁帶寬、擊穿電場(chǎng)強度高、飽和電子遷移率高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應用于新能源汽車(chē)、軌道交通、智能電網(wǎng)、半導體照明、新一代移動(dòng)通信、消費類(lèi)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(chǎng)容量未來(lái)將達到百億美元，已成為美國、歐洲、日本半導體行業(yè)的重點(diǎn)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體功率器件，可見(jiàn)第三代半導體行業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要地位。

調研機構Yole預估，氮化鎵元件2015年∼2021年的成長(cháng)率將達83%，其中電源供應器將占相當大的一部份，近六成左右，而碳化硅同期的成長(cháng)則相對緩慢，成長(cháng)率約在21%左右。預計GaN基功率半導體市場(chǎng)將飛速增長(cháng)，這種形勢已吸引許多公司進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。根據報道，EPC、GaN系統、英飛凌、松下和Transphorm已經(jīng)開(kāi)始出貨這種器件。此外，Dialog、恩智浦、安森美半導體、TI等公司正在開(kāi)發(fā)GaN基功率半導體器件。

全球最小65W電源適配器發(fā)布

納微(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Navitas)半導體公司在近日推出世界上最小的65W USB-PD(Type-C)電源適配器參考設計，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?jì)煞矫娴娘@著(zhù)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。相比現有的基于硅類(lèi)功率器件的設計，需要98-115cc（或6-7in3）和重量達300g，基于A(yíng)llGaN™功率IC的65W新設計體積僅為45cc（或2.7in3），而重量?jì)H為60g。

電源適配

現場(chǎng)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計，這款適配器目前已經(jīng)通過(guò)kickstaerter渠道，在量產(chǎn)后將在機場(chǎng)、主要街道和網(wǎng)上商店銷(xiāo)售。即可以給筆記本也可以給手機充電。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首席執行官Mathew Judkins評論道：“Made in Mind一向致力于挑戰行業(yè)規范，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，連同其他先進(jìn)技術(shù)，大大提升了消費者對我們的新產(chǎn)品系列在性能和便利性的期望。”

電源適配器設計面臨的業(yè)界挑戰？

隨著(zhù)筆記本電腦的電源適配器體積和成本的降低，電源適配器的設計人員面臨幾個(gè)業(yè)界挑戰，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準。隨著(zhù)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)傳統的設計也會(huì )讓筆記本電腦、物聯(lián)網(wǎng)設備的尺寸變大。而納微的單芯片GaN功率IC可以幫助這些應用從Type-C向PD轉的過(guò)程中小型化。 此外，NAVITAS還宣布用GaN功率IC設計的65W參考設計NVE028A采用有源鉗位反激(ACF)拓撲結構的，開(kāi)關(guān)速度比典型的轉換器設計快了3至4倍，損耗降低40%，從而實(shí)現更小的尺寸和更低的成本。該設計完全符合歐盟CoCTier2及美國能源部6級(DoEVI)所規范的能效標準，更在滿(mǎn)負載下實(shí)現超過(guò)94%的最高尖峰效率。

全球第一家GaN功率IC公司

成立于2014年的Navitas，作為全球第一家也是唯一的GaN功率IC公司，擁有強大的功率半導體團隊，通過(guò)專(zhuān)用的工藝設計套件將最高性能的GaNFET與GaN邏輯和GaN模擬電路進(jìn)行單片集成。該公司擁有的GaNFast功率IC為移動(dòng)、消費、企業(yè)和新能源市場(chǎng)提供更小、更高能效和更低成本的電源。據介紹，目前NAVITAS跟中國市場(chǎng)主流的手機廠(chǎng)商，以及排名前三大的適配器廠(chǎng)商都有合作，基本上今年Q2就會(huì )正式發(fā)貨。

首席

納微半導體首席執行官GeneSheridan

納微半導體首席執行官GeneSheridan表示：“自從我們在2016年度應用功率電子會(huì )議和展覽會(huì )(APEC)發(fā)表了AllGaN平臺以來(lái)，納微還推出了單芯片和半橋式GaN功率IC，業(yè)界最小的150W轉換器，和現在我們發(fā)布的滿(mǎn)足所有能效標準的業(yè)界最小65W USB-PD設計。這個(gè)高靈活性，高性能，高成本效益的小型化方案平臺滿(mǎn)足并超越移動(dòng)和消費性市場(chǎng)預期。”

中國電源學(xué)會(huì )理事長(cháng)兼浙江大學(xué)電力電子技術(shù)研究所所長(cháng)徐德鴻對此表示：“這是電源適配器設計的一大成就。我認為中國電源制造商一直在尋找這樣的寬禁帶功率組件，以進(jìn)一步提高電源的效率和功率密度，從而滿(mǎn)足客戶(hù)的要求。”

GENESHERIDAN對《國際電子商情》記者表示，NAVITAS目前專(zhuān)注的市場(chǎng)主要集中在手機、筆記本等消費終端的充電器以及適配器兩個(gè)市場(chǎng)，主要功率段集中在45瓦、65瓦、100瓦。這款65W USB-PD(Type-C)電源適配器體積是傳統適配器的一半，可以做得更薄。跟聯(lián)想同瓦數適配器相比，整體尺寸可以做到1/3，厚度可以做到一半以下。

GaN功率器件的普及難點(diǎn)與挑戰？

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？與傳統硅功率器件的區別，傳統硅的開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率越高，效率將會(huì )下降越快，發(fā)熱問(wèn)題會(huì )很?chē)乐?。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，不能集成外圍的Driver。相對來(lái)說(shuō)GAN功率器件是平面架構，可以把外圍驅動(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。

GENESHERIDAN認為，對于GaN功率器件來(lái)說(shuō)，過(guò)去10年最重要的挑戰是可靠性問(wèn)題。“可靠性一直是客戶(hù)對新技術(shù)采用的主要顧慮，在過(guò)去的三年中，隨著(zhù)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(wèn)題。”GENESHERIDAN表示，雖然是初創(chuàng )公司，但是NAVITAS現在合作的都是TSMC和安靠這樣的大的半導體制造商，在生產(chǎn)制造方面非常成熟，可靠性也經(jīng)過(guò)了市場(chǎng)驗證。

除了可靠性問(wèn)題，GaN的開(kāi)關(guān)頻率非?？?，但驅動(dòng)很難做，目前主要的GaN玩家都是定制驅動(dòng)為主，這里會(huì )存在很多技術(shù)壁壘。不過(guò)對于NAVITAS來(lái)說(shuō)，這個(gè)不是問(wèn)題，NAVITAS將自己的驅動(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，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)節省成本。

另一種第三代半導體材料碳化硅是對傳統硅器件的一個(gè)突破，由于GaN是基于硅的基礎來(lái)生長(cháng)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用場(chǎng)景，如汽車(chē)、火車(chē)等，對于成本并不敏感。相對來(lái)說(shuō)GaN在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域會(huì )和碳化硅有一定的競爭。GENESHERIDAN認為，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亞洲高級營(yíng)銷(xiāo)總監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)，碳化硅的熱導率3.5W/m-K高于氮化鎵1.5W/m-K，因此較適用于高功率應用。

NAVITAS的競爭優(yōu)勢？

預計GaN基功率半導體市場(chǎng)將飛速增長(cháng)，這種形勢已吸引許多公司進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。根據報道，EPC、GaN系統、英飛凌、松下和Transphorm已經(jīng)開(kāi)始出貨這種器件。此外，Dialog、恩智浦、安森美半導體、TI等公司正在開(kāi)發(fā)GaN基功率半導體器件。面對這些傳統功率器件巨頭的競爭，NAVITAS如何突出重圍呢？

GENESHERIDAN表示，競爭對手是在做分立的器件，而NAVITAS是世界上唯一一家將Driver和IC高度集成到PowerIC的公司。從成本來(lái)看最接近硅器件，未來(lái)整體成本將會(huì )比硅器件更便宜。當集成度提高后，開(kāi)關(guān)頻率也會(huì )提升。

此外，NAVITAS也在聯(lián)合相關(guān)廠(chǎng)商共同推動(dòng)類(lèi)似于JEDEC的行業(yè)標準。所有的混合數字信號部分都是基于GaN技術(shù)，NAVITAS也積累了超過(guò)40項的專(zhuān)利。“我們的第一代技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先競爭對手3年，目前正在推出第二代技術(shù)。”GENESHERIDAN表示。

為何選擇文曄作為代理商？

作為成立不久的初創(chuàng )企業(yè)，中國市場(chǎng)將是NAVITAS的重要目標市場(chǎng)，特別是中國TOP10的一線(xiàn)手機品牌。據介紹，NAVITAS已經(jīng)與全球最頂級的8~10家充電器廠(chǎng)商，包括后裝賣(mài)適配器的廠(chǎng)商展開(kāi)合作。 也正是為了開(kāi)拓包含中國大陸在內的亞洲市場(chǎng)，近日NAVITAS宣布在中國市場(chǎng)大舉擴張，包括開(kāi)設深圳銷(xiāo)售辦事處及應用實(shí)驗室，并且獲得文曄科技加盟為新的中國分銷(xiāo)商。這一投資與合作將大大加快GaNFast功率IC應用到規模達到2,000億人民幣的中國功率半導體市場(chǎng)。此外，納微還與文曄科技簽署了新的中國分銷(xiāo)合作協(xié)議，支持其在中國業(yè)務(wù)的快速擴張。文曄科技中國總經(jīng)理文興康表示：“文曄科技非常興奮與納微合作創(chuàng )建基于GaNIC的嶄新電力系統。中國的機遇非同尋常，文曄科技具備充分發(fā)掘這些機遇的產(chǎn)品陣容、經(jīng)驗和客戶(hù)關(guān)系。與納微的合作，將使得文曄科技在手機快速充電器、適配器、電視和大功率應用方面實(shí)現顯著(zhù)的增長(cháng)。”

據GENESHERIDAN介紹，文曄科技是NAVITAS目前唯一一家覆蓋亞洲整體的商業(yè)渠道，包括臺灣和大陸地區。“這個(gè)不是獨家授權的代理，有可能增加新的代理商。”GENESHERIDAN表示，之所以選擇文曄作為代理商，一方面是考慮到文曄目前是韓國最大的代理商，對于NAVITAS來(lái)說(shuō)大陸、韓國、臺灣三個(gè)區域是整體。這個(gè)是文曄能夠發(fā)揮整體優(yōu)勢的一個(gè)地方。

此外，在推動(dòng)技術(shù)導向的商業(yè)模式中，文曄投入了很多AE、FAE。NAVITAS作為提供PowerIC的廠(chǎng)商，需要跟TI這樣的廠(chǎng)商合作，提供一個(gè)完整的方案。作為T(mén)I的代理商，文曄能夠跟NAVITAS的產(chǎn)品線(xiàn)形成互補。

對于未來(lái)的目標，GENESHERIDAN表示，目前NAVITAS在近一年的目標是在適配器領(lǐng)域做到接近10億美金的市場(chǎng)規模。針對功率在1~2千瓦的市場(chǎng)，如企業(yè)網(wǎng)、數據中心、比特幣礦機將是NAVITAS未來(lái)開(kāi)拓的方向。而針對消費領(lǐng)域、太陽(yáng)能電池板、電動(dòng)汽車(chē)，以及無(wú)線(xiàn)快充等領(lǐng)域也將是發(fā)展重點(diǎn)，NAVITAS將助力傳統電源體積和重量的大幅降低。