Navitas 在 GaN 半導(dǎo)體領(lǐng)域的設(shè)計之旅

Navitas Semiconductor 是一家主要的氮化鎵 (GaN) 功率器件供應(yīng)商，在拉斯維加斯舉行的 CES 2023 上展示了其最新產(chǎn)品。這些基于 GaN 的設(shè)備涵蓋從 20-W 手機充電器到 2-kW 數(shù)據(jù)中心電源和 20-kW 電動汽車 (EV) 充電器到兆瓦級并網(wǎng)產(chǎn)品。

在 CES 2023 展會上，Navitas 通過其高級管理人員和 GaN 技術(shù)合作伙伴的演示引起了一些 GaN 的關(guān)注。該公司還能夠突出其“讓我們的世界通電”的主題，同時為展位參觀者宣布了各種獎品。Navitas 在拉丁語中意為能量，自從在加利福尼亞州馬里布的休斯研究實驗室 (HRL) 停車場的拖車上成立以來，已經(jīng)走過了漫長的道路。

它由前 International Rectifier (HRL) 高管 Gene Sheridan 和 Dan Kinzer 于 2013 年創(chuàng)立。第二年，投資公司 MalibuIQ 從 HRL 獲得了 GaN 電力電子技術(shù)的許可，HRL 在為軍用射頻和毫米波應(yīng)用成熟 GaN 器件方面做了大量工作。

2015 年 7 月，Navitas 籌集了 1510 萬美元的股權(quán)融資。它還從拖車搬到了加利福尼亞州的埃爾塞貢多，最終在加利福尼亞州托倫斯設(shè)立了總部。公司現(xiàn)有員工約200人;其中大約一半在美國，其余在亞洲和歐洲的不同地區(qū)。

GaN 設(shè)計挑戰(zhàn)

CES 2023 展廳是衡量 GaN 半導(dǎo)體在過去幾年中取得的設(shè)計進(jìn)展的好地方。Navitas 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Dan Kinzer 表示，缺乏快速且經(jīng)濟(jì)高效地驅(qū)動 GaN 晶體管的高性能電路一直是 GaN 半導(dǎo)體潛力的關(guān)鍵限制。

Navitas 通過將 GaN 驅(qū)動和邏輯電路與 GaN 功率 FET 單片集成，找到了解決這一設(shè)計挑戰(zhàn)的方法。這種單片集成可實現(xiàn)高頻電源轉(zhuǎn)換，并能夠縮小變壓器、EMI 濾波器和輸出電容器等無源元件。這反過來又促進(jìn)了可以將舊的和慢速硅設(shè)備的一半尺寸和重量充電速度提高 3 倍的解決方案。

Navitas Semiconductor 企業(yè)營銷副總裁 Stephen Oliver在公司展位與EDN交談時進(jìn)一步闡述了 GaN 器件的這一關(guān)鍵設(shè)計前提。他說，GaN 一直是幫助制造快速高效半導(dǎo)體的重要材料，但它有一個大問題：柵極。它非常脆弱，如果給它施加太大的電壓，它就會壞掉。因此，當(dāng)您的開關(guān)帶有易受攻擊的柵極時，您必須對其進(jìn)行大量保護(hù)。這會占用更多的空間和設(shè)計成本。

此外，Oliver 警告說，您仍有機會獲得電壓尖峰。所以，你必須放慢速度，甚至考慮回到硅片?！斑@是一條死胡同?！?然而，GaN 開關(guān)、GaN 驅(qū)動器、GaN 穩(wěn)壓器、GaN ESD 保護(hù)二極管、電平轉(zhuǎn)換、自舉、欠壓鎖定和電流感應(yīng)的集成導(dǎo)致了強大的 GaN IC 的誕生。

熱管理是 GaN 半導(dǎo)體的另一個絆腳石?！癎aN 的好處是電阻比硅低得多，這讓你可以開發(fā)出非常小的芯片，”O(jiān)liver 說?！安缓玫氖?，較小的芯片表面積較小，因此對外界的熱阻會降低?！?因此，設(shè)計工程師必須確保 GaN 器件不會產(chǎn)生太多熱量。“我們對初始平臺所做的是使用標(biāo)準(zhǔn) QFN 封裝尺寸，”O(jiān)liver 補充道。

GaN 的功率中斷

為了克服與 GaN 相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)，Navitas 還采用了平臺級或系統(tǒng)級方法?！斑@是一項新技術(shù)，因此如果您為習(xí)慣于以 50 kHz 工作的電源系統(tǒng)設(shè)計人員提供以 2 MHz 運行的產(chǎn)品，他們將需要一點幫助，”O(jiān)liver 說?！拔覀儎?chuàng)建了圍繞操作方法構(gòu)建的設(shè)計平臺，以便工程師可以審查材料清單等必要的細(xì)節(jié)?！?

Navitas 在這種寬帶隙 (WBG) 技術(shù)已經(jīng)跨越從學(xué)術(shù)界到商業(yè)用例的橋梁時進(jìn)入了 GaN 領(lǐng)域?？爝M(jìn)到 2023 年，這位 GaN 專家在與 TSMC 合作晶圓和 Amkor 進(jìn)行封裝的同時，有信心繼續(xù)提供可以在電力電子領(lǐng)域取代硅的 GaN 解決方案。

圖 3在移動充電器和數(shù)據(jù)中心電源之后，EV 是 GaN 功率器件的下一個前沿領(lǐng)域之一。資料來源：納微半導(dǎo)體

就在幾年前，人們還在問 GaN 什么時候會出現(xiàn)。而現(xiàn)在，當(dāng) GaN 已經(jīng)出現(xiàn)時，加入 GaN 派對可能有點晚了。Navitas 是為數(shù)不多的 GaN 器件專家之一，現(xiàn)在是這場電力電子市場顛覆的一部分。2023 年可能與市場滲透有關(guān)，納微似乎是這場 GaN 財富競賽的一部分。