氮化鎵 (GaN) 是一種化合物、寬帶隙半導(dǎo)體，具有一些令人難以置信的特性。其中，它的開(kāi)關(guān)速度比傳統(tǒng)的硅基設(shè)備快幾倍，從而減小了芯片和系統(tǒng)尺寸。此外，它實(shí)現(xiàn)了前所未有的能效水平，提供更高的功率密度，并允許更快的充電。此外，通過(guò)縮小功率器件以及變壓器、電容器和 EMI 濾波器等無(wú)源元件的尺寸，并減少或消除許多其他元件印刷電路板 (PCB)，可以降低整體系統(tǒng)成本。Navitas Semiconductor 最近宣布推出采用 GaNSense 技術(shù)的 GaNFast 功率 IC。Navitas 的下一代 IC 可針對(duì)各種系統(tǒng)故障模式提供精確有效的保護(hù)。

第三代 GaN 功率器件

據(jù) Navitas 稱(chēng)，GaNFast 器件具有出色的功能，例如過(guò)壓保護(hù)、電流感應(yīng)和溫度感應(yīng)。這允許芯片檢測(cè)外面發(fā)生的事情并使用該信息。例如，如果溫度過(guò)高，電流會(huì)降低，設(shè)備會(huì)自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式，稍后在滿(mǎn)足更安全的條件時(shí)醒來(lái)。

Navitas Semiconductor 企業(yè)營(yíng)銷(xiāo)和投資者關(guān)系副總裁 Stephen Oliver 表示：“我們的 GaNFast 產(chǎn)品集成了將智能帶入電源 IC 的功能，使它們更加自主、高效并提高了系統(tǒng)可靠性?！?/p>

最初專(zhuān)門(mén)針對(duì)移動(dòng)充電器市場(chǎng)的GaNFast產(chǎn)品線已售出超過(guò)3000萬(wàn)臺(tái)（對(duì)應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)1000億工作小時(shí)），沒(méi)有報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)故障。根據(jù) Navitas 的說(shuō)法，這些出色的結(jié)果之所以成為可能，是因?yàn)椴捎昧税艠O保護(hù)和 ESD 二極管在內(nèi)的精心設(shè)計(jì)。通過(guò)以極少的額外成本（僅占整個(gè)芯片成本的 10%）添加控制和驅(qū)動(dòng)保護(hù)，與傳統(tǒng)硅和分立 GaN 器件相比，質(zhì)量、可靠性和效率有了很大提高。

盡管基于 GaN 的 IC 提供了高可靠性，但充電器電路的其他組件可能會(huì)出現(xiàn)故障，例如電解電容。

“通過(guò)嚴(yán)密監(jiān)控過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)壓情況，然后立即做出響應(yīng)，我們使系統(tǒng)更加可靠。如果我們可以為手機(jī)充電器或筆記本電腦適配器做到這一點(diǎn)，我們可以讓電視電源、5G 基站電源和游戲機(jī)也更加可靠”，Oliver 說(shuō)。

GaNFast 技術(shù)提供實(shí)時(shí)過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)，這意味著它可以以幾乎零延遲做出反應(yīng)。例如，從檢測(cè)到過(guò)流條件到激活保護(hù)，僅經(jīng)過(guò) 33 納秒。

“在消費(fèi)市場(chǎng)，尤其是移動(dòng)市場(chǎng)，成本壓力還是很大的，我們要做到比硅還低。我們相信系統(tǒng)價(jià)格平價(jià)——其中 GaN 解決方案與硅解決方案相同——只有 18 個(gè)月的時(shí)間。當(dāng)您以相同的價(jià)格提供 3 倍的充電速度時(shí)，這就是一個(gè)成功的價(jià)值”，Oliver 說(shuō)。

GaN 功率器件，例如 Navitas 的 GaNFast IC，可以縮小磁性元件和電容器的尺寸，在相同功率的情況下，可以將電源高度從 13 mm 降低到 10 mm。

GaNFast 也是一種更環(huán)保的技術(shù)：由于它們的裸片尺寸小，這些 IC 需要的制造工藝步驟更少，并且其 CO 2足跡比硅基解決方案低 10 倍。在最終產(chǎn)品層面，基于 GaN 的充電器提供了硅基設(shè)計(jì)一半的制造和運(yùn)輸 CO 2足跡。

如圖 1 所示，Navitas GaN 功率器件在很寬的開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)具有高能效，為單開(kāi)關(guān)電路和準(zhǔn)諧振反激式電路帶來(lái)低電荷（低電容）和低損耗的優(yōu)勢(shì)。50-60 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率（硅基器件的典型開(kāi)關(guān)頻率）可以通過(guò) GaNFast 電源 IC 升級(jí)到 500 kHz 或 1 MHz，具體取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖 1：GaN 在高開(kāi)關(guān)頻率下提高了效率。

在第八屆 IEEE 寬帶隙功率器件和應(yīng)用研討會(huì) (WiPDA 2021) 上，Navitas 首席運(yùn)營(yíng)官/首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Dan Kinzer 展示了采用 GaNSense 技術(shù)的 GaNFast 功率 IC。

演講的重點(diǎn)是 GaN 功率 IC 的進(jìn)步，特別強(qiáng)調(diào)效率、可靠性和自主性?！癗avitas 專(zhuān)注于提高整個(gè)電力電子產(chǎn)品的能源效率，節(jié)約能源，并以此為世界的可持續(xù)發(fā)展和減少碳排放做出貢獻(xiàn)，”Kinzer 說(shuō)。

根據(jù) Kinzer 的說(shuō)法，GaN 已成為提供移動(dòng)充電器所需的 65 W 典型功率水平的首選技術(shù)。Navitas 現(xiàn)在遠(yuǎn)高于該功率水平，允許基于 GaN 的設(shè)備提供超快速充電器所需的功率（高達(dá) 100 W 或更高）。

“如今，有超過(guò) 160 款采用 Navitas 電源 IC 的大規(guī)模生產(chǎn) GaN 充電器，超過(guò) 90% 的移動(dòng) OEM 正在使用我們的一些產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，”Kinzer 說(shuō)。

GaNSense 技術(shù)是 GaNFast 產(chǎn)品系列的基礎(chǔ)，包括一些相關(guān)特性。第一個(gè)是自主待機(jī)，這意味著當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，設(shè)備將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，功耗要低得多。從那里，一旦 PWM 信號(hào)可用，它將立即喚醒。自主保護(hù)功能提供了高可靠性，一旦檢測(cè)到過(guò)流情況就會(huì)關(guān)閉 IC。其他特性包括過(guò)熱保護(hù)、ESD 人體模型和 800V 最大瞬態(tài)額定值。

另一個(gè)主要特點(diǎn)是無(wú)損電流感應(yīng)。通過(guò)將電流監(jiān)控電路集成到設(shè)備中，并通過(guò)放大和傳遞該信號(hào)作為電源開(kāi)關(guān)中流動(dòng)的主電流的副本，已經(jīng)消除了損耗。該解決方案僅需要一個(gè)外部電阻器。通常，串聯(lián)電流檢測(cè)電阻在數(shù)百兆歐的范圍內(nèi)。GaNSense 的電阻在數(shù)百歐姆范圍內(nèi)，因此沒(méi)有與之相關(guān)的功率損耗，并且可以直接饋入控制器。然后，控制器可以在達(dá)到所需電流水平時(shí)做出響應(yīng)，通過(guò)逐周期控制關(guān)閉設(shè)備。

“通過(guò)我們的 GaNSense 技術(shù)，我們不再需要電阻器來(lái)消耗功率；我們已經(jīng)消除了與該電阻器相關(guān)的 PCB 熱點(diǎn)，它通常是 PCB 上最熱的組件之一，”Kinzer 說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)消除損失和減少占地面積，可以大大提高效率?！?/p>

此外，由于 IC 具有更小的裸片尺寸，因此可以在同一晶圓上生產(chǎn)更多的芯片，并且與基于硅的器件相比，所需的處理步驟更少。

審核編輯 黃昊宇