全球最小65W電源適配器發布，GAN功率器件的現狀與挑戰？

Dialog、恩智浦、安森美半導體、TI等公司正在開發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？

多家半導體公司布局氮化鎵功率器件

近年來，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(以下簡稱GaN)等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體材料引發全球矚目。由於其具有禁帶寬、擊穿電場強度高、飽和電子遷移率高、熱導率大、介電常數小、抗輻射能力強等優點，可廣泛應用於新能源汽車、軌道交通、智能電網、半導體照明、新一代移動通信、消費類電子等領域，被視為支撐能源、交通、信息、國防等產業發展的核心技術，全球市場容量未來將達到百億美元，已成為美國、歐洲、日本半導體行業的重點研究方向之一。2015年5月8日，在國務院印發《中國製造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，可見第三代半導體行業在國民經濟發展中的重要地位。

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

全球最小65W電源適配器發布

納微(以下簡稱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，以跟上過去十年來筆記型電腦在更小尺寸和更輕重量兩方面的顯著改變。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。相比現有的基於硅類功率器件的設計，需要98-115cc（或6-7in3）和重量達300g，基於AllGaN?功率IC的65W新設計體積僅為45cc（或2.7in3），而重量僅為60g。

現場展示的電源適配器

最近獲得engadget網站報道的Made in Mind公司的Mu One 45W適配器就採用這款參考設計，這款適配器目前已經通過kickstaerter渠道，在量產後將在機場、主要街道和網上商店銷售。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個毫米的厚度。

電源適配器設計面臨的業界挑戰？

隨著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業界挑戰，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Type-C充電的控制方式逐漸變成PD的通信協議，會讓充電的Power功率提高，同時傳統的設計也會讓筆記本電腦、物聯網設備的尺寸變大。而納微的單晶元GaN功率IC可以幫助這些應用從Type-C向PD轉的過程中小型化。此外，NAVITAS還宣布用GaN功率IC設計的65W參考設計NVE028A採用有源鉗位反激(ACF)拓撲結構的，開關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)所規範的能效標準，更在滿負載下實現超過94%的最高尖峰效率。

全球第一家GaN功率IC公司

成立於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，通過專用的工藝設計套件將最高性能的GaNFET與GaN邏輯和GaN模擬電路進行單片集成。該公司擁有的GaNFast功率IC為移動、消費、企業和新能源市場提供更小、更高能效和更低成本的電源。據介紹，目前NAVITAS跟中國市場主流的手機廠商，以及排名前三大的適配器廠商都有合作，基本上今年Q2就會正式發貨。

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議和展覽會(APEC)發表了AllGaN平台以來，納微還推出了單晶元和半橋式GaN功率IC，業界最小的150W轉換器，和現在我們發布的滿足所有能效標準的業界最小65W USB-PD設計。這個高靈活性，高性能，高成本效益的小型化方案平台滿足並超越移動和消費性市場預期。」

中國電源學會理事長兼浙江大學電力電子技術研究所所長徐德鴻對此表示：「這是電源適配器設計的一大成就。我認為中國電源製造商一直在尋找這樣的寬禁帶功率組件，以進一步提高電源的效率和功率密度，從而滿足客戶的要求。」

GENESHERIDAN對《國際電子商情》記者表示，NAVITAS目前專註的市場主要集中在手機、筆記本等消費終端的充電器以及適配器兩個市場，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與挑戰？

目前市場上依然以硅功率器件為主流，GaN功率器件要普及有何難點？GAN功率器件的技術特點有何不同？與傳統硅功率器件的區別，傳統硅的開關頻率是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問題：第一是開關頻率越高，效率將會下降越快，發熱問題會很嚴重。而GAN功率器件會在頻率提高的同時降低體積，和功率密度大幅度上升，同時解決發熱問題。

第二是硅器件是垂直的架構，不能集成外圍的Driver。相對來說GAN功率器件是平面架構，可以把外圍驅動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，對於GaN功率器件來說，過去10年最重要的挑戰是可靠性問題。「可靠性一直是客戶對新技術採用的主要顧慮，在過去的三年中，隨著台積電的工藝提升，我們和友商已經基本解決了可靠性問題。」GENESHERIDAN表示，雖然是初創公司，但是NAVITAS現在合作的都是TSMC和安靠這樣的大的半導體製造商，在生產製造方面非常成熟，可靠性也經過了市場驗證。

除了可靠性問題，GaN的開關頻率非常快，但驅動很難做，目前主要的GaN玩家都是定製驅動為主，這裡會存在很多技術壁壘。不過對於NAVITAS來說，這個不是問題，NAVITAS將自己的驅動技術集成在一起做成了一個Power IC。

採用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，在未來的5G應用中的微型基站將對GaN產生大量需求，這些基站對於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佔到總成本的60%，因此需要通過GaN功率器件的效率提升來節省成本。

另一種第三代半導體材料碳化硅是對傳統硅器件的一個突破，由於GaN是基於硅的基礎來生長材料，從成本角度比碳化硅更便宜。此外碳化硅更適用於50千瓦以上更大功率的應用場景，如汽車、火車等，對於成本並不敏感。相對來說GaN在電動汽車領域會和碳化硅有一定的競爭。GENESHERIDAN認為，50千瓦以上毫無疑問是碳化硅的市場，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。GaN Systems亞洲高級營銷總監Charles Bailley表示，就電學性質與物理特性來相比，氮化鎵與碳化硅皆采寬頻隙技術，碳化硅的熱導率3.5W/m-K高於氮化鎵1.5W/m-K，因此較適用於高功率應用。

NAVITAS的競爭優勢？

預計GaN基功率半導體市場將飛速增長，這種形勢已吸引許多公司進入這個市場。根據報道，EPC、GaN系統、英飛凌、松下和Transphorm已經開始出貨這種器件。此外，Dialog、恩智浦、安森美半導體、TI等公司正在開發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。從成本來看最接近硅器件，未來整體成本將會比硅器件更便宜。當集成度提高後，開關頻率也會提升。

此外，NAVITAS也在聯合相關廠商共同推動類似於JEDEC的行業標準。所有的混合數字信號部分都是基於GaN技術，NAVITAS也積累了超過40項的專利。「我們的第一代技術已經領先競爭對手3年，目前正在推出第二代技術。」GENESHERIDAN表示。

為何選擇文曄作為代理商？

作為成立不久的初創企業，中國市場將是NAVITAS的重要目標市場，特別是中國TOP10的一線手機品牌。據介紹，NAVITAS已經與全球最頂級的8~10家充電器廠商，包括後裝賣適配器的廠商展開合作。也正是為了開拓包含中國大陸在內的亞洲市場，近日NAVITAS宣布在中國市場大舉擴張，包括開設深圳銷售辦事處及應用實驗室，並且獲得文曄科技加盟為新的中國分銷商。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。此外，納微還與文曄科技簽署了新的中國分銷合作協議，支持其在中國業務的快速擴張。文曄科技中國總經理文興康表示：「文曄科技非常興奮與納微合作創建基於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掘這些機遇的產品陣容、經驗和客戶關係。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現顯著的增長。」

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渠道，包括台灣和大陸地區。「這個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，對於NAVITAS來說大陸、韓國、台灣三個區域是整體。這個是文曄能夠發揮整體優勢的一個地方。

此外，在推動技術導向的商業模式中，文曄投入了很多AE、FAE。NAVITAS作為提供PowerIC的廠商，需要跟TI這樣的廠商合作，提供一個完整的方案。作為TI的代理商，文曄能夠跟NAVITAS的產品線形成互補。

對於未來的目標，GENESHERIDAN表示，目前NAVITAS在近一年的目標是在適配器領域做到接近10億美金的市場規模。針對功率在1~2千瓦的市場，如企業網、數據中心、比特幣礦機將是NAVITAS未來開拓的方向。而針對消費領域、太陽能電池板、電動汽車，以及無線快充等領域也將是發展重點，NAVITAS將助力傳統電源體積和重量的大幅降低。

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