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纳微GaNSense™技术如何助力企业降低碳排放

关键词:纳微GaNSense技术低碳

时间:2021-11-23 16:43:44      来源:中电网

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出,第三代半导体材料再次脱颖而出。氮化镓应用在电源设计中,比传统硅具有更高的效率、更小的尺寸和更轻的重量,同时能加快实现客户净零排放目标。

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出,第三代半导体材料再次脱颖而出。氮化镓应用在电源设计中,比传统硅具有更高的效率、更小的尺寸和更轻的重量,同时能加快实现客户净零排放目标。我们来看一组与氮化镓相关的数字“氮化镓芯片的组成部分在制造过程中的二氧化碳排放量比硅低4到10倍;充电器的二氧化碳排放量较硅减少28%;可使电动车提前3年得到普及;预计到2050年氮化镓每年将解决26亿吨碳排放,也就是说每出货一个氮化镓功率芯片,和硅芯片相比可减少 4千克二氧化碳排放量”这组数据出自氮化镓行业领导者纳微半导体与Earth-Shift Global 的采样分析。不仅如此,氮化镓可降低系统成本达20%,不难读出氮化镓的发展即将迎来风口期。

凭借研发氮化镓产品闻名于市场的纳微半导体仅用了7年的时间从初创到上市,今年10月在纳斯达克上市当天估值10亿美元。重要的是他们的创新为整个行业带来了巨大的变化。时间回到2017年,中电网记者曾有幸采访到纳微半导体首席执行官 Gene Sheridan,那时的纳微虽已手握成熟的氮化镓芯片技术,但在市场上还没有得到推广。Gene说他几乎每个月都要飞来中国,一方面推广产品,另一方面在中国组建团队...惊喜的是今天展现在我们面前的纳微半导体已走在行业的领先地位。

在近期媒体发布会上纳微半导体销售营运总监李铭钊介绍说,该公司三位创始人有着长达30年的在同一家公司工作的经验。就中国市场而言,目前纳微中国团队约60人,而中国市场回馈他们的是全营收的70%。李铭钊还提到纳微手握专利200多件,仍有超过100多件专利在准备申请中。

氮化镓VS传统硅

据预测,氮化镓有望在电力应用中取代硅。相比硅,氮化镓的电场强度是硅的10倍,电子迁移率是硅的2倍,可以在快速芯片中实现高电压和快速开关。对比具有类似输出功率的硅充电器,氮化镓开关速度不仅快20倍,且体积和重量还小3倍;功率密度上可提升3倍;系统节能高达40%,系统成本可降低20%。

纳微氮化镓现阶段主要应用在消费类电子快充市场,李铭钊介绍,纳微正在扩展产品的应用范围,比如数据中心、太阳能、汽车等。据评估氮化镓功率芯片可为数据中心每年节省19亿美元的电费;在太阳能方面可节省最多40%的能源;汽车市场,预计2025 年电动汽车中的氮化镓机会总值超过 25 亿美元/年,主要应用在车载充电器、逆变器和动力方面。

纳微半导体是全球首家,也是唯一一家集成氮化镓器件和驱动、控制及保护电路于一个芯片的公司,作为第一个吃螃蟹的人,他们确实也走不了少的弯路,但是经过团队不懈的努力,新一代GaNSenseTM完美亮相,“采用GaNSenseTM的新一代GaNFast™氮化镓功率芯片通过实时智能传感和保护,为40亿美元的手机充电器和消费市场带来最高的效率和可靠性。”纳微半导体高级应用总监黄秀成表示。另外GaNSenseTM技术比分立式的氮化镓功率芯片的实现方案快 600%,从检测到保护只需30纳秒。

黄秀成说,功率氮化镓主要以两个流派在发展,其一是dMode常开型,其二是eMode常关型,而纳微代表的是后者。但相比于传统的常关型的氮化镓功率器件,纳微又进一步将驱动、保护和控制做了集成。这样设计所带来的好处是什么呢?黄秀成说,集成后可以大大提高开关频率。传统的硅器件由于参数不够优异,开关速率、开关频率都受到极大的限制。通常基于硅器件的电源系统设置在60kHz到100kHz的开关频率范围,而因为开关频率较低,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。业界通常的功率密度小于0.5W/cc。另外分立式氮化镓因为受限于驱动线路的复杂性,开关频率并没有发挥到氮化镓应有的高度。在这个基础上相比硅器件仅有2-3倍的开关频率提升。而纳微的功率氮化镓器件,集成了控制、驱动和保护,不受外部参数影响,开关频率可以发挥极致。目前主流开关频率在电源适配器上可以做到300kHz-400kHz,功率密度远大于1W/cc。且至今该公司出货的三千万个氮化镓功率芯片确保了零故障。

新一代GaNSenseTM带来的好处

本次发布会纳微带来了他们全新的GaNSenseTM技术。GaNFastTM是纳微现阶段主打产品,那采用了GaNSenseTM技术之后,GaNFastTM产品又有什么值得关注的呢?

黄秀成提到GaNSenseTM技术进一步提高了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。 凭借业界最严格的电流测量精度和GaNFastTM响应时间,GaNSenseTM技术缩短50%的危险时间,危险的过电流峰值降低50%。GaNFastTM氮化镓功率芯片单片集成提供了可靠的、无故障的操作,没有 "振铃",从而提高了系统可靠性。

其中无损可编程的电流采样、智能待机、过温过流保护以及2k VESD 均是GaNSenseTM的亮点。

首先无损可编程电流采样,通过无损的方式采集电流信息,经过信号处理,同时在芯片外部放置可编辑电阻,该阻值大小可调,通过原样复现流经GaN 工艺上的电流。当可编辑电阻调节时,原系统中的采样电阻便可复现出可编辑电压,信号处理以及采样精准度极高。以纳微NV6134为例,通过上千个测试结果显示,采样的精度误差大概在±1.36以内。使得工程师实现精准的控制,包括闭环采样控制,过流保护等。

无损采样所带来的好处是使系统变得灵活、高效、精准。首先,以无损采样代替原来采样电阻功能,意味着在功率回路里去掉一个损耗元件,使通态损耗减半,从而能效得到提升。其次,通过内部集成PCB布局面积变得更小、更简单灵活。另外,热耦合的问题,由原来的两个发热元件变成一个后,耦合系数更低,器件本身工作温度降低,系统的效率便会提高。

快速精准的过流保护:传统上包括纳微上一代GaNFastTM在外部都需要加一个采样电阻,这个电阻采到的信号交由控制器去判断是否发生的过流的情况,控制器为了避免噪声问题,会有延时,通常反应时间在300纳秒左右,而GaNSenseTM技术基于无损采样,在芯片内部设定过流阈值,当触碰到这个阈值,反应时间远远小于100纳秒。节省出来200纳秒可以避免系统因为异常情况而造成变压器电流急剧上升问题。下图左侧为GaNFastTM过流保护设计,右侧为采用GaNSenseTM后的GaNFastTM设计。

过温保护,GaNSenseTM的设计原理同样是在内部设定一个区间,当温度超过预设的阈值时(通常设定160度),直接关掉芯片,当芯片自然冷却低于100度时,再去参考PMW信号,进入工作状态。

智能待机,虽然上一代GaNFastTM产品已经在待机方面表现的很优秀,但为了达到能效,通常在外面增加线路设计,系统会相对复杂。而GaNSenseTM技术会智能检测PWM信号,正常情况下智能待机不发挥作用,当系统进入跳周期的模式之后,通过检测使芯片进入待机模式。整个待机电流从GaNFastTM的接近1毫安降低到接近100微安,使得整体待机功耗大幅下降。另外在智能待机状态下30纳秒便可重新回到工作模。与上一代产品相比待机功耗降低20%。

瞄准快充市场

新一代GaNSenseTM技术,主要应用在目前快充最火爆的QR Flyback,以及带PFC功能电源,另外随着PD3.1的代入,非对称半桥这个拓扑应用会更广。

采用GaNSenseTM的产品已经量产,比如小米120W的氮化镓方案,相比于传统的硅的方案,效率提升1.5%;另外联想YOGA 65W双C口电源,同样采用了NV6134的解决方案。

目前,纳微半导体的GaNSenseTM系列5款产品已上市,拥有6×8,5×6规格的封装,最小120毫欧、最大450毫欧等不同选择,该范围很好地覆盖从二十几瓦快充和一两百瓦快充系列。

凭借纳微的创新技术,该公司赢得了市场上各大知名厂商的信任,例如我们熟悉的小米、OPPO、联想、DELL等,经了解全球有超过140款量产中的充电器都已使用了纳微的方案,约有150款即将上市。不仅如此他们还和全球很多学术机构、学院有着紧密合作,课题研究等,保证纳微半导体在芯片、器件、系统应用层面处于领先地位。

现阶段纳微的氮化镓方案主要集中在消费类产品,预计未来5年,该公司将应用逐步扩展到服务器、工业、汽车等领域。他们已与国外的汽车零件生产公司展开了合作。

哪几方面降低碳排放?

发布会上纳微提供了一组数据以示氮化镓可以加速碳中和,那他们是从哪几个方面来降低碳排放的呢?李铭钊表示,首先器件本身可以使系统效率得到提升,意味着使用能源更有效。其次在待机功耗部分,通过GaNSenseTM可以把待机功耗减少。另外通过GaNSenseTM集成,系统体积变小,铜线材料用量减少。以上方方面面都可以减少碳排放量。

市场已经从氮化镓产品上获益,各大半导体厂商均纷纷布局,我们也看到在氮化镓上有更多的应用以及新技术支撑。是否真的象前面预测的那样在电力方面可以取代硅,可能还需要更长的路要走,但推动碳中和,降低碳排放是全行业乃至全人类都需要为之付出努力的。

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