下一代氮化鎵 (GaN)半橋 IC 可以提供 2 MHz 的開關(guān)頻率

傳統(tǒng)上，電源設(shè)計(jì)人員必須使用分立晶體管和多個(gè)外部元件(例如驅(qū)動(dòng)器、電平轉(zhuǎn)換器、傳感器、自舉電路和外圍設(shè)備)構(gòu)建半橋電路。Navitas Semiconductor最近宣布推出業(yè)界首款 GaNSense 半橋功率 IC，采用緊湊型 6×8-mm 表面貼裝 PQFN 封裝。

據(jù)該公司稱，這些下一代氮化鎵 (GaN)半橋 IC 提供 2 MHz 的開關(guān)頻率，元件和電路尺寸減少了 60% 以上。與現(xiàn)有的分立解決方案相比，這反過來又降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，現(xiàn)有的分立解決方案需要更多的組件，更昂貴，并且提供更低的開關(guān)頻率、密度和效率。

新器件集成了兩個(gè)具有驅(qū)動(dòng)器、控制、傳感、自主保護(hù)和電平轉(zhuǎn)換隔離功能的 GaN FET，構(gòu)成了電力電子的完整功率級(jí)構(gòu)建模塊。

氮化鎵器件

“我們新的 GaNSense 半橋功率 IC 是一個(gè)巨大的進(jìn)步，它將徹底改變電力電子，因?yàn)槲覀儗⑺袞|西都集成在一個(gè)封裝中，在高速拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)兆赫茲開關(guān)頻率，” Navitas Semiconductor 的董事 Llew Vaughan-Edmunds說.

為了獲得更高的可靠性和穩(wěn)健性，集成的 GaNSense 技術(shù)可通過無損電流感應(yīng)實(shí)現(xiàn)自主保護(hù)，從而提高效率和節(jié)能水平。高集成度使各種AC-DC 電源拓?fù)涑蔀榭赡?，例?LLC 諧振、非對稱半橋 (AHB) 和有源鉗位反激式 (ACF)，通過消除電路寄生和延遲以兆赫頻率運(yùn)行。圖騰柱 PFC 和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用同樣非常適合 GaNSense 半橋 IC。

市場所需的電力水平不斷提高?？焖俪潆娖鞯牡湫皖~定功率已從 20-30 W 增加到 65 W，并且引入了功率 >100-W 的新超快速類別——甚至高達(dá) 200 W，可在更短的時(shí)間內(nèi)為 4,700 mAhr 電池提供 0-100% 的充電不到 10 分鐘，Navitas 說。同樣，數(shù)據(jù)中心的目標(biāo)效率將從 80% 提高到 90% 或更高，而客戶也需要更快地為電動(dòng)汽車充電。

市場對當(dāng)前和未來電源應(yīng)用的主要需求是尺寸、重量、效率和速度。通過使用零電壓開關(guān) (ZVS) 等軟開關(guān)拓?fù)洌珿aNSense 半橋 IC 最大限度地減少了開關(guān)損耗并提高了效率，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了更快的開關(guān)和更小的占板面積。

“我們正在軟開關(guān)拓?fù)浜桶霕蚱脚_(tái)中實(shí)現(xiàn)最高頻率、效率和最緊湊的設(shè)計(jì)，”Vaughan-Edmunds 說。“傳統(tǒng)的硅解決方案具有較低的頻率、較低的效率和較低的功率密度。對于 GaN，我們現(xiàn)在談?wù)摰氖钦缀掌澓透叩拈_關(guān)頻率?！?

Navitas 表示，其解決方案與競爭對手的解決方案不同之處在于，它具有集成柵極驅(qū)動(dòng)(可消除 eMode 柵極的寄生電感、關(guān)斷和錯(cuò)誤開啟)、敏感的 eMode 柵極節(jié)點(diǎn)保護(hù)(可保護(hù)設(shè)備免受系統(tǒng)影響噪聲和電壓尖峰)，以及高性能的 GaNSense 技術(shù)。

這包括用于簡化設(shè)計(jì)的高級(jí)功能，例如標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字邏輯輸入、高側(cè)自舉和電平轉(zhuǎn)換，以及無損電流檢測，以實(shí)現(xiàn)最高效率和最大的一次成功機(jī)會(huì)，最快的時(shí)間到-市場設(shè)計(jì)——與復(fù)雜、昂貴且可能不穩(wěn)定的分立實(shí)施形成對比。直通保護(hù)、過流、過熱感應(yīng)和自主控制、2 kV ESD 和 200 V/ns 轉(zhuǎn)換率功能都是這款真正 IC 的標(biāo)準(zhǔn)配置。

分立式GaN半橋解決方案與使用 GaNSense 半橋 IC 設(shè)計(jì)的等效電路板之間的比較如圖 2 所示，如Vaughan-Edmunds所述。

“我們可以看到 GaNSense 解決方案需要的組件減少了 61%，占地面積顯著減少并提供了更高的集成度。此外，它不需要外部高壓自舉、高壓旁路二極管，也沒有外露的柵極。6×8 mm PQFN 封裝下方的兩個(gè)焊盤具有更大的尺寸以改善熱管理，” Vaughan-Edmunds 說。

在 GaNSense 技術(shù)提供的不同保護(hù)措施中，短路保護(hù)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。該器件在檢測到短路后不再有 5 微秒或 10 微秒的延遲，而是在 30 納秒內(nèi)自行關(guān)閉——比分立器件快六倍。

這稱為自主保護(hù)，因?yàn)?GaNSense 半橋電源 IC 不需要中斷微控制器來告訴它關(guān)閉它;它會(huì)自行關(guān)閉。減少占地面積也是中功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的一個(gè)相關(guān)特性。

GaNSense 半橋 IC 系列由兩部分組成：額定電壓為 650 V、160 m Ω (雙)的 NV6247 和額定為 275 m Ω (雙)的 NV6245C。兩者均采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、薄型、低電感、6×8 毫米 PQFN 封裝。這兩款 IC 均滿足不同電源應(yīng)用的需求，包括移動(dòng)快速和超快速充電器、家用電器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

NV6247 可立即投入生產(chǎn)，交貨期為 16 周，適用于功率級(jí)別為 100 W 至 140 W 的移動(dòng)和消費(fèi)應(yīng)用(如 PFC 和充電器)，以及功率高達(dá) 400 W 的泵和風(fēng)扇。 NV6245C 目前正在為部分客戶提供樣品，并將在今年年底前向所有客戶廣泛量產(chǎn)。GaNSense 半橋 IC 系列隨后將擴(kuò)展，在未來幾個(gè)季度提供范圍廣泛的封裝樣式和功率級(jí)別。

電機(jī)控制

GaNSense 半橋 IC 還支持逆變器-電機(jī)集成。三個(gè)半橋通常用于在現(xiàn)代電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)器中提供三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如家用電器、HVAC、工業(yè)機(jī)械、電動(dòng)汽車和機(jī)器人技術(shù)。今天的大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都是低頻和硬開關(guān)的。GaN 的低開關(guān)電容和無反向恢復(fù)電荷允許提高開關(guān)頻率，同時(shí)即使在硬開關(guān)應(yīng)用中也能最大限度地減少損耗。

根據(jù) Navitas 的說法，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中 IGBT、SJ MOSFET 和 GaNFast IC 之間的功率損耗比較表明 GaN 如何將總功率損耗降低 78%，同時(shí)運(yùn)行速度比傳統(tǒng) Si IGBT 設(shè)計(jì)快 3 倍。通過在 2 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中使用 GaN 功率 IC，逆變器效率提高了 2.5%(從 96% 到 98.5%)，同時(shí)總損耗降低了 50%(從 15 W 到 6.8 W)。

“我們還取消了散熱器，我們打算將其放入電機(jī)軸中，”Vaughan-Edmunds 說。“對于需要電機(jī)一體化逆變器的客戶來說，這是一個(gè)完美的解決方案。我們覺得我們擁有最高的整合水平。”