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未來已來，氮化鎵的社會經濟價值加速到來。
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本文介紹了鎵未來和納芯微在氮化鎵方面的技術合作方案。 鎵未來提供的緊湊級聯(lián)型氮化鎵器件與納芯微隔離驅動器配合，隔離驅動器保證了異常工作情況下對氮化鎵器件的有效保護，完美展現了氮化鎵在先進應用中高效率低損耗的核心價值，讓工程師放心無憂采用氮化鎵。
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普通消費者了解并接受氮化鎵，是從2018年氮化鎵PD快充開始的。憑借氮化鎵卓越的開關特性，可以高頻工作，實現高轉換效率，氮化鎵PD快充成功實現了小型化和輕量化，消費者易于攜帶，用戶體驗大幅度提升。在過去幾年內，氮化鎵在PD快充中的滲透率逐步提升，消費者對氮化鎵的認知是“氮化鎵=黑科技”，采用氮化鎵的PD快充可以賣到小幾百元，普通的采用硅器件的PD快充售價往往在一百元以內。氮化鎵的應用，很快從PD快充拓展到其它消費類產品中，輸出功率從30W、65W逐步提升到120W甚至更大功率。
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普通消費者，甚至對氮化鎵了解不多的工程師，普遍認為氮化鎵只能實現幾十瓦到一百多瓦的輸出功率。這種情況基本屬實，因為增強型氮化鎵目前只有QFN/DFN和TOLL等貼片封裝形式，在中大功率應用場景的散熱問題難以解決。但是，鎵未來氮化鎵采用獨特的緊湊級聯(lián)型技術，封裝形式涵蓋QFN/DFN、TOLL、TO-220和TO-247等多種形式，滿足小功率（30W~300W）、中功率（300W~1kW）和大功率（1kW~6kW）等各種豐富的應用場景。
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鎵未來在成立之初，聚焦中小功率的應用和市場拓展，但是從2022年開始，公司發(fā)力中大功率的應用市場，在便攜式儲能雙向逆變器、服務器電源、算力電源和植物照明電源等應用領域取得不少突破。市場對氮化鎵接受程度的穩(wěn)步提升，主要得益于社會對節(jié)能減排和高效率電能轉換的普遍共識。
80+能效標準
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EU lot9存儲電源效率要求
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實現80+ 96%鈦金效率，或者CQC嵌入式電源輸出40V以內能效VI級96%峰值效率和VII級97%峰值效率，最具性價比的解決方案是氮化鎵圖騰柱無橋PFC拓撲加諧振軟開關LLC拓撲的方案。
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第一部分：氮化鎵實現高轉換效率，賦能節(jié)能減排
氮化鎵憑借卓越的開關特性，具有“零”反向恢復電荷Qrr，特別適用于CCM BTP PFC (Continuous Current Mode Bridgeless Totem-Pole Power Factor Correction) 拓撲結構，相較于其它普遍采用的傳統(tǒng)拓撲結構，其主要優(yōu)點包括：
基于GaN的CCM BTP PFC拓撲
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第二部分：氮化鎵在中大功率應用中的挑戰(zhàn)及應對措施
鎵未來作為緊湊級聯(lián)型氮化鎵器件國內領先的供應商，其氮化鎵晶圓良率超過95%，結合本地化供應鏈和資源整合優(yōu)勢，性價比突出。相對于增強型氮化鎵來說，鎵未來緊湊級聯(lián)型氮化鎵的主要優(yōu)勢包括：
但是，氮化鎵普遍存在一些局限，包括雪崩能力偏弱，漏源需要提升過電壓能力；還有電流抗沖擊能力有待提升，在半橋電路中要預防上下管直通。針對前者，鎵未來氮化鎵過壓能力突出，比如標定耐壓650V器件，其Vds在800V下非可重復和750V下可重復的尖峰電壓持續(xù)時間高達30us。針對后者，驅動器需要具備Interlock功能，即當DSP數字控制器或者模擬控制器給出的上下管驅動電壓同時為高時，驅動器通過自身邏輯控制，將上下管驅動電壓鎖定為低，確保氮化鎵器件不會直通并安全工作。在AC輸入動態(tài)、DC輸出動態(tài)、雷擊浪涌等情況下，DSP數字控制器或模擬控制器可能因為外部干擾，輸出誤動作信號，具有Interlock功能的驅動器可以有效的保護氮化鎵器件。
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鎵未來應用開發(fā)團隊具有豐富的數字控制和模擬控制經驗，已經將半橋氮化鎵驅動電路歸一化，即統(tǒng)一采用納芯微NSi6602隔離驅動器。
NSi6602隔離驅動器系統(tǒng)框圖
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根據NSi6602的邏輯表，DT腳實現輸出Interlock功能或者死區(qū)調節(jié)功能。同時，NSi6602輸入信號和輸出信號隔離，這樣便于PCB板布線，進一步提升抗干擾性能。NSi6602抗共模干擾能力CMTI高達150V/ns，這個在大功率短路和過流保護的時候很重要。另外其上下驅動的差模電壓可達1500V，也適用于900V氮化鎵器件以及三相系統(tǒng)的應用。
NSi6602邏輯表
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好馬配好鞍，鎵未來氮化鎵和納芯微隔離驅動器比翼雙飛，成雙成對出現，隔離驅動器保證了異常工作情況下對氮化鎵器件的有效保護，完美展現了氮化鎵在先進應用中高效率低損耗的核心價值，讓工程師放心無憂采用氮化鎵。
在實際應用中，BTP PFC采用兩顆NSi6602，分別驅動兩顆氮化鎵快管和兩顆Si MOSFET慢管。在LLC部分，如果是半橋LLC，采用一顆NSi6602，如果是全橋LLC，采用兩顆NSi6602。
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NSi6602典型應用圖
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針對不用的應用要求，NSi6602提供了不同隔離電壓等級和封裝類型的系列產品，具體參考下表。
NSi6602隔離驅動器產品選型表
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第三部分：豐富的應用案例
便攜式儲能用GaN雙向逆變器：
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2.5kW高效率高功率密度全數字控制導冷服務器電源
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3.6kW高效率算力電源
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大功率高效率LED驅動電源
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本文介紹了鎵未來和納芯微在氮化鎵方面的技術合作方案。 鎵未來提供的緊湊級聯(lián)型氮化鎵器件與納芯微隔離驅動器配合，隔離驅動器保證了異常工作情況下對氮化鎵器件的有效保護，完美展現了氮化鎵在先進應用中高效率低損耗的核心價值，讓工程師放心無憂采用氮化鎵。
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普通消費者了解并接受氮化鎵，是從2018年氮化鎵PD快充開始的。憑借氮化鎵卓越的開關特性，可以高頻工作，實現高轉換效率，氮化鎵PD快充成功實現了小型化和輕量化，消費者易于攜帶，用戶體驗大幅度提升。在過去幾年內，氮化鎵在PD快充中的滲透率逐步提升，消費者對氮化鎵的認知是“氮化鎵=黑科技”，采用氮化鎵的PD快充可以賣到小幾百元，普通的采用硅器件的PD快充售價往往在一百元以內。氮化鎵的應用，很快從PD快充拓展到其它消費類產品中，輸出功率從30W、65W逐步提升到120W甚至更大功率。
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普通消費者，甚至對氮化鎵了解不多的工程師，普遍認為氮化鎵只能實現幾十瓦到一百多瓦的輸出功率。這種情況基本屬實，因為增強型氮化鎵目前只有QFN/DFN和TOLL等貼片封裝形式，在中大功率應用場景的散熱問題難以解決。但是，鎵未來氮化鎵采用獨特的緊湊級聯(lián)型技術，封裝形式涵蓋QFN/DFN、TOLL、TO-220和TO-247等多種形式，滿足小功率（30W~300W）、中功率（300W~1kW）和大功率（1kW~6kW）等各種豐富的應用場景。
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鎵未來在成立之初，聚焦中小功率的應用和市場拓展，但是從2022年開始，公司發(fā)力中大功率的應用市場，在便攜式儲能雙向逆變器、服務器電源、算力電源和植物照明電源等應用領域取得不少突破。市場對氮化鎵接受程度的穩(wěn)步提升，主要得益于社會對節(jié)能減排和高效率電能轉換的普遍共識。
80+能效標準
EU lot9存儲電源效率要求
實現80+ 96%鈦金效率，或者CQC嵌入式電源輸出40V以內能效VI級96%峰值效率和VII級97%峰值效率，最具性價比的解決方案是氮化鎵圖騰柱無橋PFC拓撲加諧振軟開關LLC拓撲的方案。
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第一部分：氮化鎵實現高轉換效率，賦能節(jié)能減排
氮化鎵憑借卓越的開關特性，具有“零”反向恢復電荷Qrr，特別適用于CCM BTP PFC (Continuous Current Mode Bridgeless Totem-Pole Power Factor Correction) 拓撲結構，相較于其它普遍采用的傳統(tǒng)拓撲結構，其主要優(yōu)點包括：
- 元器件最少，成本最低，性價比最高
- 效率最高，損耗大幅度下降，熱管理簡單，可以實現自然散熱
- 單機功率大，功率密度高，重量輕
- 控制簡單，能量可雙向流動，整流和逆變一機兩用
基于GaN的CCM BTP PFC拓撲
第二部分：氮化鎵在中大功率應用中的挑戰(zhàn)及應對措施
鎵未來作為緊湊級聯(lián)型氮化鎵器件國內領先的供應商，其氮化鎵晶圓良率超過95%，結合本地化供應鏈和資源整合優(yōu)勢，性價比突出。相對于增強型氮化鎵來說，鎵未來緊湊級聯(lián)型氮化鎵的主要優(yōu)勢包括：
- Vgs閾值電壓下限高達3.5V，抗干擾性能強，特別適用于高頻、硬開關和大功率應用
- Vgs閾值電壓上限高達20V（靜態(tài)），30V（動態(tài)），驅動兼容Si MOSFET驅動器
- 不需要負壓關斷，外圍電路簡單
- 有半個體二極管，不需要反并聯(lián)SBD以降低續(xù)流損耗并提升效率
- 封裝種類齊全，包括貼片QFN/DFN/TOLL和插件TO-220/TO-247等封裝形式，覆蓋全功率范圍應用場景
- 有直接替代料，持續(xù)大批量供貨無憂
但是，氮化鎵普遍存在一些局限，包括雪崩能力偏弱，漏源需要提升過電壓能力；還有電流抗沖擊能力有待提升，在半橋電路中要預防上下管直通。針對前者，鎵未來氮化鎵過壓能力突出，比如標定耐壓650V器件，其Vds在800V下非可重復和750V下可重復的尖峰電壓持續(xù)時間高達30us。針對后者，驅動器需要具備Interlock功能，即當DSP數字控制器或者模擬控制器給出的上下管驅動電壓同時為高時，驅動器通過自身邏輯控制，將上下管驅動電壓鎖定為低，確保氮化鎵器件不會直通并安全工作。在AC輸入動態(tài)、DC輸出動態(tài)、雷擊浪涌等情況下，DSP數字控制器或模擬控制器可能因為外部干擾，輸出誤動作信號，具有Interlock功能的驅動器可以有效的保護氮化鎵器件。
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鎵未來應用開發(fā)團隊具有豐富的數字控制和模擬控制經驗，已經將半橋氮化鎵驅動電路歸一化，即統(tǒng)一采用納芯微NSi6602隔離驅動器。
NSi6602隔離驅動器系統(tǒng)框圖
根據NSi6602的邏輯表，DT腳實現輸出Interlock功能或者死區(qū)調節(jié)功能。同時，NSi6602輸入信號和輸出信號隔離，這樣便于PCB板布線，進一步提升抗干擾性能。NSi6602抗共模干擾能力CMTI高達150V/ns，這個在大功率短路和過流保護的時候很重要。另外其上下驅動的差模電壓可達1500V，也適用于900V氮化鎵器件以及三相系統(tǒng)的應用。
NSi6602邏輯表
好馬配好鞍，鎵未來氮化鎵和納芯微隔離驅動器比翼雙飛，成雙成對出現，隔離驅動器保證了異常工作情況下對氮化鎵器件的有效保護，完美展現了氮化鎵在先進應用中高效率低損耗的核心價值，讓工程師放心無憂采用氮化鎵。
在實際應用中，BTP PFC采用兩顆NSi6602，分別驅動兩顆氮化鎵快管和兩顆Si MOSFET慢管。在LLC部分，如果是半橋LLC，采用一顆NSi6602，如果是全橋LLC，采用兩顆NSi6602。
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NSi6602典型應用圖
針對不用的應用要求，NSi6602提供了不同隔離電壓等級和封裝類型的系列產品，具體參考下表。
NSi6602隔離驅動器產品選型表
第三部分：豐富的應用案例
便攜式儲能用GaN雙向逆變器：
- AC側支持全球電壓范圍，包括中歐規(guī)和美日規(guī)
- DC側典型電壓為48V，可定制
- 功率為2kW，支持各種過載工作
- BTP PFC采用兩顆G1N65R035TB-N (35m?/650V, TO-247-3L)氮化鎵和兩顆NSi6602B-PSDNR，工作頻率為65kHz
- 全橋LLC采用四顆G1N65R070TA-H (70m?/650V, TO-220)氮化鎵和兩顆NSi6602B-PSDNR，諧振頻率為120kHz
- 支持多機并聯(lián)，提升輸出功率
- 峰值效率96% @ 220Vac
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2.5kW高效率高功率密度全數字控制導冷服務器電源
- AC輸入電壓：90Vac~264Vac，低壓降額
- DC輸出：12.2V/205A，Vsb/2.5A
- 輸出功率為2.5kW，支持多機并聯(lián)
- BTP PFC采用兩顆G1N65R035TB-N (35m?/650V, TO-247-3L)氮化鎵和兩顆NSi6602B-PSDNR，工作頻率為65kHz
- 半橋LLC采用一顆NSi6602B-PSDNR，諧振頻率為125kHz
- 峰值效率96.2%，滿足80+鈦金效率認證
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3.6kW高效率算力電源
- AC輸入電壓：180Vac~300Vac
- DC輸出電壓：11.5V-15.5V/240A, 3.6kW
- BTP PFC采用兩顆G1N65R035TB-N (35m?/650V, TO-247-3L)氮化鎵和兩顆NSi6602B-PSDNR，工作頻率為65kHz
- LLC采用兩顆NSi6602B-PSDNR，諧振頻率為100kHz
- 滿載效率96.2% @ 220Vac
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大功率高效率LED驅動電源
- AC輸入電壓：90Vac~264Vac
- DC輸出電壓：56V/12.5A, 700W
- BTP PFC采用兩顆G1N65R050TB-N (50m?/650V, TO-247-3L)氮化鎵和兩顆NSi6602B-PSDNR，工作頻率為55kHz
- LLC采用兩顆G1N65R150TA-N (150m?/650V, TO-220)氮化鎵和一顆NSi6602B-PSDNR，諧振頻率為70kHz
- 滿載效率96.5% @ 230Vac
工商網監(jiān)
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