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納微半導體:掀起第三代半導體的“芯”旋風

作者:充電頭網 來源: 頭條號 70305/15

2023年3月16日,2023(春季)亞洲充電展在深圳成功舉辦,展會同期還舉辦了2023(春季)全球第三代半導體產業(yè)峰會,并邀請了15位行業(yè)大咖現(xiàn)場與大家探討第三代半導體,對氮化鎵、碳化硅的應用技術以及產業(yè)的未來發(fā)展進行探討和分享。詹仁雄先

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2023年3月16日,2023(春季)亞洲充電展在深圳成功舉辦,展會同期還舉辦了2023(春季)全球第三代半導體產業(yè)峰會,并邀請了15位行業(yè)大咖現(xiàn)場與大家探討第三代半導體,對氮化鎵、碳化硅的應用技術以及產業(yè)的未來發(fā)展進行探討和分享。

詹仁雄先生畢業(yè)于浙江大學電氣工程學院電力電子專業(yè)碩士研究生,畢業(yè)后在多家歐美知名半導體公司就職。在加入納微半導體前,先后在仙童/安森美、戴樂格工作。在納微半導體擔任高級技術市場經理一職,主要負責產品定義和市場營銷。

Reyn Zhan詹仁雄先生現(xiàn)任納微半導體高級技術市場經理 ,他的演講主題為《納微半導體:掀起第三代半導體的“芯”旋風》。

詹仁雄先生此次演講主要分為回顧納微2022、納微氮化鎵功率IC、納微氮化鎵GaNSense Control系列合封方案、納微企業(yè)使命四個部分。

2022年納微半導體順利完成了對碳化硅公司GeneSiC以及數字集成電路公司VDDTeCH的收購,此外去年下半年還完成了對Elevation合封氮化鎵芯片公司的收購。通過對上述三家公司的收購,可以為納微在充電器領域、氮化鎵領域,如何做好器件保護和集成,降低產品成本、體積,提高系統(tǒng)可靠性等注入新鮮“血液”。

其中一個非常明顯的更新是納微同時擁有了碳化硅和氮化鎵,是一家全面專注第三代功率半導體事業(yè)的公司。

納微公司營收情況及多元化市場進展,2021年納微業(yè)務基本都在手機領域里面,而2022年的業(yè)務呈現(xiàn)多元化,雖然手機領域業(yè)務依然強勁,但是在新應用方面也取得非常大的成功。

其中工業(yè)和家電領域占了30%,光儲領域占了12%,EV領域5%,其它13%。這意味著納微的產品在更多領域做了很多多元化拓展,可以在這些領域適配不同的特定要求以及整個市場的變化。隨著時間的推移,得到市場驗證的納微氮化鎵產品會對整個產業(yè)的發(fā)展起到積極推進作用。

從區(qū)域來看,納微在亞洲(主要是國內)的營收占比比較大,而在歐美地區(qū)納微業(yè)務得到了長久增長。這意味著納微的整個業(yè)務都是在增長的,旗下產品器件得到全球客戶的認可。在工業(yè)、家電、光儲、EV等領域,納微的業(yè)務都是與這些領域的頭部客戶接觸產生的,積極推動氮化鎵的發(fā)展。

第三代半導體市場是非常龐大的。根據應用功率和電壓等級的不同,第三代半導體的市場可以大概分為三個區(qū)域,對于80-650V的藍色區(qū)域來說,是GaN的天下,納微在這個功率段推出了GaNFast系列氮化鎵功率芯片,用于手機和筆記本的適配器市場。納微的GaNFast功率芯片將驅動器,控制電路和保護電路全部集成在器件內部,相比傳統(tǒng)獨立器件,大幅簡化應用,并提升性能和可靠性。

650-1200V的淺藍色區(qū)域,是氮化鎵和碳化硅共存的市場,包括數據中心UPS,工業(yè)自動化,太陽能發(fā)電和新能源汽車OBC等應用。在不同的電壓和功率等級中,將氮化鎵和碳化硅共同使用,可以顯著的提升系統(tǒng)性能和性價比,混合設計大幅拓展了單一器件的應用范圍。

對于1200-6500V的高壓部分,納微GeneSiC是世界上僅有的兩家能夠做到6500V的廠商之一,在電動汽車、新能源、軌道交通、太陽能和電網都有廣闊的應用場景,市場前景非常巨大。

以電動汽車為例,納微推出了兩款DEMO來驗證器件性能,第一款是基于氮化鎵的二合一6.6kW和3kW DC-DC二合一的車載充電器,充電功率為6.6kW,放電功率為6.6kVA,在全電壓范圍內充放電效率均超過95%,達到了行業(yè)內較高的水平。

另外一款二合一充電機為11kW功率,兼容400V和800V電池,采用硬開關全橋,PFC采用三相整流橋,平面尺寸與一張A4紙相當,體積僅3.8L,功率密度為3.7kW/L,同樣達到了業(yè)界領先水平。

在大眾比較熟悉的消費和快充領域,可以看到,包括戴爾、三星、聯(lián)想、LG、小米、華碩、 OPPO和vivo,以及面向零售的品牌,如安克、綠聯(lián)、Belkin、倍思等國內外一眾大品牌,全球排名前十的移動 OEM 廠商,生產采用了納微芯片或與納微共同研發(fā)的電源產品,獲得市場的長期考驗。截至今年,納微累計出貨超7500萬顆高壓氮化鎵功率器件。

目前氮化鎵市場產品功率越做越大,功率密度也是越來越高,同時對成本的要求也非常高。氮化鎵產品涵蓋了從幾十瓦到幾百瓦的功率段,就快充領域來說,可以看到這個市場對氮化鎵的認可是非常高的。

過去一年里,納微半導體有哪些量產成熟的氮化鎵功率IC可以給到大家?

關注過納微半導體的應該都知道,納微始終堅持走集成氮化鎵技術的產品路線,推出的產品擁有高集成度、高可靠性、高效率、系統(tǒng)易設計等優(yōu)點。

對于納微E-mode氮化鎵器件,一樣可以適配應用到3.3-20V不同電壓等級。另外不管是怎樣的外圍電路,集成還能使氮化鎵里面的芯片,如驅動等不會受到任何一絲影響,整個驅動非常干凈,同時門極會受到非常好的保護。

這些年納微想了很多辦法去幫助客戶解決一些問題,比如怎么樣能夠讓保護更加齊全,氮化鎵芯片不會受到干擾以及得到更好的保護。為此納微半導體一直在做的事情就是在納微氮化鎵功率IC里集成OTP、OCP等不同保護,同時支持無損電流檢測,以達到損耗更低效率更高。

此外對于EMI納微也提出了更好的要求,通過納微應用團隊、工程團隊在不止系統(tǒng)方案上為客戶帶來好處。同時從器件內部機制考慮如何使di/dt/dV受到很好的控制,以保證在過EMI的時候得到很好解決。

納微最新一代GaNSense氮化鎵功率IC,支持無損可編程電流采樣,智能過流保護,過溫保護,智能隨時待命以及更高的 2kV ESD。器件將電流檢測集成,同時是無損的,無需再在外面加一個電阻,進而獲得非常好的效率,此外散熱也更好,體積也會更小。

納微GaNSense氮化鎵功率IC提供QFN6*8和QFN8*8兩種封裝。最新一代的NV613xC系列集成了OTP、OCP等不同保護,導通電阻Rds(ON)支持170mΩ-450mΩ,基本覆蓋現(xiàn)在市面上有用到的30W-100W+產品。

NV613xC系列可以保證700V持續(xù)電壓以及瞬態(tài)條件下的800V額定電壓,同時納微是唯一一家百分百對每一片900V氮化鎵器件進行終測的公司。

納微提供QFN8*8封裝的NV6169去覆蓋200W以上的產品應用,100-200W范圍的應用同樣也可以適用。

納微整個產品路線如上圖,納微在去年和大家分享時,綠色字體部分產品NV613xC系列、NV6169還處于樣品階段,如今整個系列均已實現(xiàn)量產。同時相較上一代A系列,多了一些Rds(ON)上的選擇,210mΩ可以更好的去適配不同功率跟可能電壓、電流不同區(qū)別的時候,可能需要更小或更大的Rds(ON)去適配。

隨著AHB的推出,蘋果140W PD3.1快充市場需求對于AHB應該會起到非常大的推廣作用。納微NV624X系列半橋氮化鎵功率芯片可以完美適配AHB電路,其把所有的保護、驅動電路以及上下管的氮化鎵IC集成在里面,目前有275mΩ和160mΩ的,基本可以支持100W-200W之間采用PFC+AHB電路的應用。

基于納微NV624X系列半橋氮化鎵功率芯片設計的PFC+AHB 140W快充,成品體積可以做到98cc,整個PCBA是66cc。即采用納微NV624X系列可以很好集成電路,能夠使PCB、充電器體積做得更小。

與其它半橋氮化鎵功率IC對比,納微產品集成度更高,除上面提到的,還有LDOs、level shifter等,采用納微的器件便無需再加電流檢測電路等。此外還有自動待機模式,可以使在待機時候的功耗更低。ESD最大電壓、VDS最大電壓等級,VCC-range相比也有更好表現(xiàn),此外延時也很低,可以去適配頻率比較高的應用。

散熱方面,可以看到,從有效散熱面積來看,納微產品的散熱面積是比兩家友商的大不少,尤其是從比例來看,基本上有30%以上面積的拓展。

上面是介紹了納微去年推出的產品系列,下面詹仁雄先生為我們帶來納微今年新推出的GaNSense? Control氮化鎵合封方案介紹。

NV955x系列是納微目前已經量產的產品,從170mΩ到450mΩ都有覆蓋,可以適配30W-80W應用,如果帶PFC電路則還能覆蓋90W-100W。該系列產品目前已經在綠聯(lián)、摩托羅拉等很多耳熟能詳的客戶產品里量產出貨,是為數不多在inbox項目里面量產的產品。

其帶來的好處是,除納微氮化鎵功率IC本身的優(yōu)點外,還集成了高頻QR控制器以及驅動,集成度更高。此外該系列有不同頻率可以選擇,最高可以支持到300kHz,在一些領域里面,比如最近比較熱門的餅干快充項目,要做得超薄需要使用平面變壓器,要適配更高頻率,采用納微該系列產品就很合適。此外其待機功耗非常低,實測可以到30mW以下。

如圖是納微最新一代的有無損電流檢測的產品,Rds(ON)覆蓋170mΩ、210mΩ、260mΩ、330mΩ、520mΩ、600mΩ,可以支持20W-100W級別應用設計。

產品延續(xù)納微GaNSens系列的好處,例如在65W應用中可能要用到3-4顆106采樣電阻,又占空間又熱,損耗有可能會占到效率的0.5個百分點。而采用納微的產品以后根本不需要用到電流采樣電阻,整個效率會高0.5%,散熱效果會更好,深受客戶歡迎。

值得一提的是,若是客戶不想采用合封方案,也不熟悉納微控制器和氮化鎵方案,納微其實是有NV9510SC02/NV9510SC06/NV9510SC21/NV9510SC08單控制器可供選擇,加上納微的氮化鎵IC NV613xC系列,第一次可通過此更好去了解納微的產品。

納微的控制器產品可以支持CCM/QR工作模式,可以支持客戶的超薄快充在90V時是CCM狀態(tài),整個設計會更有彈性,可以做得更小更薄。

電流檢測示意圖如上圖,整個CS電路包括在里面,實測下來整個效率會比上一代用95x系列提高0.5個百分點在65W的時候,在30W左右大約可以提升0.3個百分點。除效率提升外,電流檢測電阻可以省掉,散熱、PCB空間以及整個工藝上都會有很好提升。此外也可以設計采用平面變壓器的充電器產品。

從封裝來看,納微每一代產品散熱性能都有提升。上一代NV955x產品采用傳統(tǒng)QFN5*6封裝的,相比傳統(tǒng)5x6 Discreet GaN方案,DAP尺寸增加了30%。最新的NV958x相比上一代散熱封裝進一步提升,相比傳統(tǒng)的DAP尺寸增加了50%。

65W雙USB-C口快充Demo三圍50.9*28.5*24mm,功率密度約1.87W/cm3,230Vac輸入時的滿載峰值效率達94.7%。

45W雙USB-C口快充Demo三圍37.5*29.5*23.5mm,功率密度約1.73W/cm3,230Vac輸入時的滿載峰值效率達93.9%。

30W單USB-C口快充Demo三圍27.2*24.1*24mm,功率密度約1.91W/cm3,230Vac輸入時的滿載峰值效率達92%。

基于納微最新一代 GaNSense Control 合封方案設計的上面三個Demo,每個Demo的尺寸都做得非常小,效率表現(xiàn)也都非常好。

對于環(huán)保、碳中和以及新能源這一塊,納微一直都是高度關注。預計到2050年以后,整個能源其中的80%由電力而來,這對推動環(huán)保、碳中和是很有幫助的。同時會迎來高達400億美元的GaN+SiC市場機遇,這其實對于處于該領域的企業(yè)來說還有很長一段路要去走。

去年2月,納微發(fā)布了第一個氮化鎵可持續(xù)發(fā)展報告,在納微官網可查詢到詳細內容。另外納微成為了全球首個獲得碳中和榮譽的半導體企業(yè),去年8月實現(xiàn)了100k噸減排里程碑,這是基于納微每顆氮化鎵芯片可以減少4kg二氧化碳排放效果,使用納微產品將對減排做出貢獻。

納微希望自己是一個可持續(xù)發(fā)展的先驅企業(yè),在2050年之前,納微將不斷設計推出更多更優(yōu)產品,也會不斷發(fā)布可持續(xù)發(fā)展報告給行業(yè),為綠色未來做出貢獻,積極承擔企業(yè)社會責任。

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