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全球最小65W电源适配器发布,GAN功率器件的现状与挑战?

时间:2018-04-27 12:59:16  来源:  作者:

 近年来,以碳化硅(SiC)和氮化镓(以下简称GaN)等宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料引发全球瞩目。由于其具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等优点,可广泛应用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信、消费类电子等领域,被视为支撑能源、交通、信息、国防等产业发展的核心技术,全球市场容量未来将达到百亿美元,已成为美国、欧洲、日本半导体行业的重点研究方向之一。2015年5月8日,在国务院印发《中国制造2025》中4次提到以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体功率器件,可见第三代半导体行业在国民经济发展中的重要地位。

调研机构Yole预估,氮化镓元件2015年∼2021年的成长率将达83%,其中电源供应器将占相当大的一部份,近六成左右,而碳化硅同期的成长则相对缓慢,成长率约在21%左右。预计GaN基功率半导体市场将飞速增长,这种形势已吸引许多公司进入这个市场。根据报道,EPC、GaN系统、英飞凌、松下和Transphorm已经开始出货这种器件。此外,Dialog、恩智浦、安森美半导体、TI等公司正在开发GaN基功率半导体器件。

全球最小65W电源适配器发布
纳微(以下简称Navitas)半导体公司在近日推出世界上最小的65W USB-PD(Type-C)电源适配器参考设计,以跟上过去十年来笔记型电脑在更小尺寸和更轻重量两方面的显著改变。这款高频及高效的All GaN™功率IC,可缩小变压器、滤波器和散热器的尺寸、减轻重量和降低成本。相比现有的基于硅类功率器件的设计,需要98-115cc(或6-7in3)和重量达300g,基于AllGaN™功率IC的65W新设计体积仅为45cc(或2.7in3),而重量仅为60g。

电源适配

现场展示的电源适配器

最近获得engadget网站报道的Made in Mind公司的Mu One 45W适配器就采用这款参考设计,这款适配器目前已经通过kickstaerter渠道,在量产后将在机场、主要街道和网上商店销售。即可以给笔记本也可以给手机充电。Mu One 45W也是世界上最薄的45瓦的充电器,可以做到14个毫米的厚度。

Made in Mind首席执行官Mathew Judkins评论道:“Made in Mind一向致力于挑战行业规范,我们寻求志同道合的最出色合作伙伴。Mu One中的纳微GaNFast芯片在充电速度、效率和尺寸方面带来了巨大优势,连同其他先进技术,大大提升了消费者对我们的新产品系列在性能和便利性的期望。”

电源适配器设计面临的业界挑战?
随着笔记本电脑的电源适配器体积和成本的降低,电源适配器的设计人员面临几个业界挑战,从新的USB Type-C连接和USB PD(电力输送)的输出是否符合法定的能效标准。随着Type-C充电的控制方式逐渐变成PD的通信协议,会让充电的Power功率提高,同时传统的设计也会让笔记本电脑、物联网设备的尺寸变大。而纳微的单芯片GaN功率IC可以帮助这些应用从Type-C向PD转的过程中小型化。 此外,NAVITAS还宣布用GaN功率IC设计的65W参考设计NVE028A采用有源钳位反激(ACF)拓扑结构的,开关速度比典型的转换器设计快了3至4倍,损耗降低40%,从而实现更小的尺寸和更低的成本。该设计完全符合欧盟CoCTier2及美国能源部6级(DoEVI)所规范的能效标准,更在满负载下实现超过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,作为全球第一家也是唯一的GaN功率IC公司,拥有强大的功率半导体团队,通过专用的工艺设计套件将最高性能的GaNFET与GaN逻辑和GaN模拟电路进行单片集成。该公司拥有的GaNFast功率IC为移动、消费、企业和新能源市场提供更小、更高能效和更低成本的电源。据介绍,目前NAVITAS跟中国市场主流的手机厂商,以及排名前三大的适配器厂商都有合作,基本上今年Q2就会正式发货。

首席

纳微半导体首席执行官GeneSheridan

纳微半导体首席执行官GeneSheridan表示:“自从我们在2016年度应用功率电子会议和展览会(APEC)发表了AllGaN平台以来,纳微还推出了单芯片和半桥式GaN功率IC,业界最小的150W转换器,和现在我们发布的满足所有能效标准的业界最小65W USB-PD设计。这个高灵活性,高性能,高成本效益的小型化方案平台满足并超越移动和消费性市场预期。”

中国电源学会理事长兼浙江大学电力电子技术研究所所长徐德鸿对此表示:“这是电源适配器设计的一大成就。我认为中国电源制造商一直在寻找这样的宽禁带功率组件,以进一步提高电源的效率和功率密度,从而满足客户的要求。”

GENESHERIDAN对《国际电子商情》记者表示,NAVITAS目前专注的市场主要集中在手机、笔记本等消费终端的充电器以及适配器两个市场,主要功率段集中在45瓦、65瓦、100瓦。这款65W USB-PD(Type-C)电源适配器体积是传统适配器的一半,可以做得更薄。跟联想同瓦数适配器相比,整体尺寸可以做到1/3,厚度可以做到一半以下。

GaN功率器件的普及难点与挑战?
目前市场上依然以硅功率器件为主流,GaN功率器件要普及有何难点?GAN功率器件的技术特点有何不同?与传统硅功率器件的区别,传统硅的开关频率是100K左右,GAN功率器件可以做到1Mzh频率,甚至100倍以上。

GAN功率器件可以解决硅器件的几个问题:第一是开关频率越高,效率将会下降越快,发热问题会很严重。而GAN功率器件会在频率提高的同时降低体积,和功率密度大幅度上升,同时解决发热问题。

第二是硅器件是垂直的架构,不能集成外围的Driver。相对来说GAN功率器件是平面架构,可以把外围驱动和控制电路集成在一起,这样IC可以做得非常小,而成本可以做得更便宜。

GENESHERIDAN认为,对于GaN功率器件来说,过去10年最重要的挑战是可靠性问题。“可靠性一直是客户对新技术采用的主要顾虑,在过去的三年中,随着台积电的工艺提升,我们和友商已经基本解决了可靠性问题。”GENESHERIDAN表示,虽然是初创公司,但是NAVITAS现在合作的都是TSMC和安靠这样的大的半导体制造商,在生产制造方面非常成熟,可靠性也经过了市场验证。

除了可靠性问题,GaN的开关频率非常快,但驱动很难做,目前主要的GaN玩家都是定制驱动为主,这里会存在很多技术壁垒。不过对于NAVITAS来说,这个不是问题,NAVITAS将自己的驱动技术集成在一起做成了一个Power IC。

采用GaN功率器件,除了可以将电源适配器与充电器体积做得更小外,在未来的5G应用中的微型基站将对GaN产生大量需求,这些基站对于电源的功率要求很高,而且要求体积做到很小。此外,目前火热的比特币矿机,挖矿的电力成本已经占到总成本的60%,因此需要通过GaN功率器件的效率提升来节省成本。

另一种第三代半导体材料碳化硅是对传统硅器件的一个突破,由于GaN是基于硅的基础来生长材料,从成本角度比碳化硅更便宜。此外碳化硅更适用于50千瓦以上更大功率的应用场景,如汽车、火车等,对于成本并不敏感。相对来说GaN在电动汽车领域会和碳化硅有一定的竞争。GENESHERIDAN认为,50千瓦以上毫无疑问是碳化硅的市场,从20千瓦到50千瓦之间,碳化硅和氮化镓都可以扮演重要角色,而20千瓦以下则主要是GaN的市场。GaN Systems亚洲高级营销总监Charles Bailley表示,就电学性质与物理特性来相比,氮化镓与碳化硅皆采宽带隙技术,碳化硅的热导率3.5W/m-K高于氮化镓1.5W/m-K,因此较适用于高功率应用。

NAVITAS的竞争优势?
预计GaN基功率半导体市场将飞速增长,这种形势已吸引许多公司进入这个市场。根据报道,EPC、GaN系统、英飞凌、松下和Transphorm已经开始出货这种器件。此外,Dialog、恩智浦、安森美半导体、TI等公司正在开发GaN基功率半导体器件。面对这些传统功率器件巨头的竞争,NAVITAS如何突出重围呢?

GENESHERIDAN表示,竞争对手是在做分立的器件,而NAVITAS是世界上唯一一家将Driver和IC高度集成到PowerIC的公司。从成本来看最接近硅器件,未来整体成本将会比硅器件更便宜。当集成度提高后,开关频率也会提升。

此外,NAVITAS也在联合相关厂商共同推动类似于JEDEC的行业标准。所有的混合数字信号部分都是基于GaN技术,NAVITAS也积累了超过40项的专利。“我们的第一代技术已经领先竞争对手3年,目前正在推出第二代技术。”GENESHERIDAN表示。

为何选择文晔作为代理商?
作为成立不久的初创企业,中国市场将是NAVITAS的重要目标市场,特别是中国TOP10的一线手机品牌。据介绍,NAVITAS已经与全球最顶级的8~10家充电器厂商,包括后装卖适配器的厂商展开合作。 也正是为了开拓包含中国大陆在内的亚洲市场,近日NAVITAS宣布在中国市场大举扩张,包括开设深圳销售办事处及应用实验室,并且获得文晔科技加盟为新的中国分销商。这一投资与合作将大大加快GaNFast功率IC应用到规模达到2,000亿人民币的中国功率半导体市场。此外,纳微还与文晔科技签署了新的中国分销合作协议,支持其在中国业务的快速扩张。文晔科技中国总经理文兴康表示:“文晔科技非常兴奋与纳微合作创建基于GaNIC的崭新电力系统。中国的机遇非同寻常,文晔科技具备充分发掘这些机遇的产品阵容、经验和客户关系。与纳微的合作,将使得文晔科技在手机快速充电器、适配器、电视和大功率应用方面实现显著的增长。”

据GENESHERIDAN介绍,文晔科技是NAVITAS目前唯一一家覆盖亚洲整体的商业渠道,包括台湾和大陆地区。“这个不是独家授权的代理,有可能增加新的代理商。”GENESHERIDAN表示,之所以选择文晔作为代理商,一方面是考虑到文晔目前是韩国最大的代理商,对于NAVITAS来说大陆、韩国、台湾三个区域是整体。这个是文晔能够发挥整体优势的一个地方。

此外,在推动技术导向的商业模式中,文晔投入了很多AE、FAE。NAVITAS作为提供PowerIC的厂商,需要跟TI这样的厂商合作,提供一个完整的方案。作为TI的代理商,文晔能够跟NAVITAS的产品线形成互补。

对于未来的目标,GENESHERIDAN表示,目前NAVITAS在近一年的目标是在适配器领域做到接近10亿美金的市场规模。针对功率在1~2千瓦的市场,如企业网、数据中心、比特币矿机将是NAVITAS未来开拓的方向。而针对消费领域、太阳能电池板、电动汽车,以及无线快充等领域也将是发展重点,NAVITAS将助力传统电源体积和重量的大幅降低。

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