氮化鎵 (GaN) 是一種化合物、寬帶隙半導體，具有一些令人難以置信的特性。其中，它的開關速度比傳統(tǒng)的硅基設備快幾倍，從而減小了芯片和系統(tǒng)尺寸。此外，它實現(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，通過縮小功率器件以及變壓器、電容器和 EMI 濾波器等無源元件的尺寸，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 技術的 GaNFast 功率 IC。Navitas 的下一代 IC 可針對各種系統(tǒng)故障模式提供精確有效的保護。

第三代 GaN 功率器件

據(jù) Navitas 稱，GaNFast 器件具有出色的功能，例如過壓保護、電流感應和溫度感應。這允許芯片檢測外面發(fā)生的事情并使用該信息。例如，如果溫度過高，電流會降低，設備會自動進入睡眠模式，稍后在滿足更安全的條件時醒來。

Navitas Semiconductor 企業(yè)營銷和投資者關系副總裁 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>

最初專門針對移動充電器市場的GaNFast產(chǎn)品線已售出超過3000萬臺（對應于現(xiàn)場1000億工作小時），沒有報告現(xiàn)場故障。根據(jù) Navitas 的說法，這些出色的結(jié)果之所以成為可能，是因為采用了包括柵極保護和 ESD 二極管在內(nèi)的精心設計。通過以極少的額外成本（僅占整個芯片成本的 10%）添加控制和驅(qū)動保護，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出現(xiàn)故障，例如電解電容。

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

GaNFast 技術提供實時過流和過熱保護，這意味著它可以以幾乎零延遲做出反應。例如，從檢測到過流條件到激活保護，僅經(jīng)過 33 納秒。

“在消費市場，尤其是移動市場，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)價格平價——其中 GaN 解決方案與硅解決方案相同——只有 18 個月的時間。當您以相同的價格提供 3 倍的充電速度時，這就是一個成功的價值”，Oliver 說。

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：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計一半的制造和運輸 CO 2足跡。

如圖 1 所示，Navitas GaN 功率器件在很寬的開關頻率范圍內(nèi)具有高能效，為單開關電路和準諧振反激式電路帶來低電荷（低電容）和低損耗的優(yōu)勢。50-60 kHz 的開關頻率（硅基器件的典型開關頻率）可以通過 GaNFast 電源 IC 升級到 500 kHz 或 1 MHz，具體取決于拓撲結(jié)構。

圖 1：GaN 在高開關頻率下提高了效率。

在第八屆 IEEE 寬帶隙功率器件和應用研討會 (WiPDA 2021) 上，Navitas 首席運營官/首席技術官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Dan Kinzer 展示了采用 GaNSense 技術的 GaNFast 功率 IC。

演講的重點是 GaN 功率 IC 的進步，特別強調(diào)效率、可靠性和自主性。“Navitas 專注于提高整個電力電子產(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，”Kinzer 說。

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

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

GaNSense 技術是 GaNFast 產(chǎn)品系列的基礎，包括一些相關特性。第一個是自主待機，這意味著當沒有輸入信號時，設備將進入睡眠狀態(tài)，功耗要低得多。從那里，一旦 PWM 信號可用，它將立即喚醒。自主保護功能提供了高可靠性，一旦檢測到過流情況就會關閉 IC。其他特性包括過熱保護、ESD 人體模型和 800V 最大瞬態(tài)額定值。

另一個主要特點是無損電流感應。通過將電流監(jiān)控電路集成到設備中，并通過放大和傳遞該信號作為電源開關中流動的主電流的副本，已經(jīng)消除了損耗。該解決方案僅需要一個外部電阻器。通常，串聯(lián)電流檢測電阻在數(shù)百兆歐的范圍內(nèi)。GaNSense 的電阻在數(shù)百歐姆范圍內(nèi)，因此沒有與之相關的功率損耗，并且可以直接饋入控制器。然后，控制器可以在達到所需電流水平時做出響應，通過逐周期控制關閉設備。

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

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