最新一代 GaN 器件为功率器件带来智能和自主性

氮化镓 (GaN) 是一种化合物、宽带隙半导体，具有一些令人难以置信的特性。其中，它的开关速度比传统的硅基设备快几倍，从而减小了芯片和系统尺寸。此外，它实现了前所未有的能效水平，提供更高的功率密度，并允许更快的充电。此外，通过缩小功率器件以及变压器、电容器和 EMI 滤波器等无源元件的尺寸，并减少或消除许多其他元件印刷电路板 (PCB)，可以降低整体系统成本。Navitas Semiconductor 最近宣布推出采用 GaNSense 技术的 GaNFast 功率 IC。Navitas 的下一代 IC 可针对各种系统故障模式提供精确有效的保护。

第三代 GaN 功率器件

据 Navitas 称，GaNFast 器件具有出色的功能，例如过压保护、电流感应和温度感应。这允许芯片检测外面发生的事情并使用该信息。例如，如果温度过高，电流会降低，设备会自动进入睡眠模式，稍后在满足更安全的条件时醒来。

Navitas Semiconductor 企业营销和投资者关系副总裁 Stephen Oliver 表示：“我们的 GaNFast 产品集成了将智能带入电源 IC 的功能，使它们更加自主、高效并提高了系统可靠性。”

最初专门针对移动充电器市场的GaNFast产品线已售出超过3000万台（对应于现场1000亿工作小时），没有报告现场故障。根据 Navitas 的说法，这些出色的结果之所以成为可能，是因为采用了包括栅极保护和 ESD 二极管在内的精心设计。通过以极少的额外成本（仅占整个芯片成本的 10%）添加控制和驱动保护，与传统硅和分立 GaN 器件相比，质量、可靠性和效率有了很大提高。

尽管基于 GaN 的 IC 提供了高可靠性，但充电器电路的其他组件可能会出现故障，例如电解电容。

“通过严密监控过流、过热和过压情况，然后立即做出响应，我们使系统更加可靠。如果我们可以为手机充电器或笔记本电脑适配器做到这一点，我们可以让电视电源、5G 基站电源和游戏机也更加可靠”，Oliver 说。

GaNFast 技术提供实时过流和过热保护，这意味着它可以以几乎零延迟做出反应。例如，从检测到过流条件到激活保护，仅经过 33 纳秒。

“在消费市场，尤其是移动市场，成本压力还是很大的，我们要做到比硅还低。我们相信系统价格平价——其中 GaN 解决方案与硅解决方案相同——只有 18 个月的时间。当您以相同的价格提供 3 倍的充电速度时，这就是一个成功的价值”，Oliver 说。

GaN 功率器件，例如 Navitas 的 GaNFast IC，可以缩小磁性元件和电容器的尺寸，在相同功率的情况下，可以将电源高度从 13 mm 降低到 10 mm。

GaNFast 也是一种更环保的技术：由于它们的裸片尺寸小，这些 IC 需要的制造工艺步骤更少，并且其 CO 2足迹比硅基解决方案低 10 倍。在最终产品层面，基于 GaN 的充电器提供了硅基设计一半的制造和运输 CO 2足迹。

如图 1 所示，Navitas GaN 功率器件在很宽的开关频率范围内具有高能效，为单开关电路和准谐振反激式电路带来低电荷（低电容）和低损耗的优势。50-60 kHz 的开关频率（硅基器件的典型开关频率）可以通过 GaNFast 电源 IC 升级到 500 kHz 或 1 MHz，具体取决于拓扑结构。

图 1：GaN 在高开关频率下提高了效率。

在第八届 IEEE 宽带隙功率器件和应用研讨会 (WiPDA 2021) 上，Navitas 首席运营官/首席技术官兼联合创始人 Dan Kinzer 展示了采用 GaNSense 技术的 GaNFast 功率 IC。

演讲的重点是 GaN 功率 IC 的进步，特别强调效率、可靠性和自主性。“Navitas 专注于提高整个电力电子产品的能源效率，节约能源，并以此为世界的可持续发展和减少碳排放做出贡献，”Kinzer 说。

根据 Kinzer 的说法，GaN 已成为提供移动充电器所需的 65 W 典型功率水平的首选技术。Navitas 现在远高于该功率水平，允许基于 GaN 的设备提供超快速充电器所需的功率（高达 100 W 或更高）。

“如今，有超过 160 款采用 Navitas 电源 IC 的大规模生产 GaN 充电器，超过 90% 的移动 OEM 正在使用我们的一些产品进行设计，”Kinzer 说。

GaNSense 技术是 GaNFast 产品系列的基础，包括一些相关特性。第一个是自主待机，这意味着当没有输入信号时，设备将进入睡眠状态，功耗要低得多。从那里，一旦 PWM 信号可用，它将立即唤醒。自主保护功能提供了高可靠性，一旦检测到过流情况就会关闭 IC。其他特性包括过热保护、ESD 人体模型和 800V 最大瞬态额定值。

另一个主要特点是无损电流感应。通过将电流监控电路集成到设备中，并通过放大和传递该信号作为电源开关中流动的主电流的副本，已经消除了损耗。该解决方案仅需要一个外部电阻器。通常，串联电流检测电阻在数百兆欧的范围内。GaNSense 的电阻在数百欧姆范围内，因此没有与之相关的功率损耗，并且可以直接馈入控制器。然后，控制器可以在达到所需电流水平时做出响应，通过逐周期控制关闭设备。

“通过我们的 GaNSense 技术，我们不再需要电阻器来消耗功率；我们已经消除了与该电阻器相关的 PCB 热点，它通常是 PCB 上最热的组件之一，”Kinzer 说。“通过消除损失和减少占地面积，可以大大提高效率。”

此外，由于 IC 具有更小的裸片尺寸，因此可以在同一晶圆上生产更多的芯片，并且与基于硅的器件相比，所需的处理步骤更少。

审核编辑 黄昊宇