用于快速充電系統(tǒng)的 GaN 半導(dǎo)體

Navitas 的集成 GaN 解決方案 (GaNFast)通過提供五倍的功率密度、40% 的節(jié)能和 20% 的生產(chǎn)成本，使充電系統(tǒng)的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)硅組件快 100 倍。例如，您將能夠更快地為智能手機(jī)充電。

2018 年中后期，功率氮化鎵 (GaN) 在售后市場的最初市場采用是來自 Anker、Aukey 和 RAVpower 的 24 至 65 瓦充電器。在 2019 年，我們看到了額外的配件發(fā)布，現(xiàn)在三星、Verizon、Oppo 和華碩/Nvidia 等 OEM 采用了 27 到 300 瓦的“盒內(nèi)”功率，出貨量達(dá)數(shù)百萬。

GaN 是一種新的生產(chǎn)半導(dǎo)體，有望在未來幾年在許多應(yīng)用中取代硅，而電池充電是第一個(gè)展示這種采用的大批量市場。如今，大多數(shù)用于電子產(chǎn)品的充電器都使用硅晶體管，多年來這一直是效率和尺寸的最佳解決方案。硅正在逐漸達(dá)到其物理極限，尤其是在功率密度方面。這反過來又限制了配備硅功率元件的設(shè)備的緊湊程度。與硅相比，GaN 在非常高的電壓、溫度和開關(guān)頻率下具有卓越的性能，因此可以顯著提高能源效率。

對具有更大屏幕和 5G 功能的功能更強(qiáng)大的智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦的持續(xù)需求為下一代交流適配器創(chuàng)造了一個(gè)市場，可以為越來越大的鋰離子電池快速充電。

隨著硅功率設(shè)備被替換為 GaN 替代品，我們不得不攜帶巨大的電磚和多條電纜來運(yùn)行我們的設(shè)備的日子可能會結(jié)束。我們等待為智能手機(jī)和筆記本電腦充電的時(shí)間可能會大大減少，而令人驚訝的熱充電器可能已成為過去。隨著大量充電器和 27W 到 300W 的 GaN 適配器的大量生產(chǎn)，為從手機(jī)到無人機(jī)的所有設(shè)備供電，移動充電器市場將發(fā)生巨大變化。

“人們希望為他們的移動設(shè)備更快地充電，這意味著需要更多的電力，但他們不想要硅基適配器的大尺寸和重量。手機(jī)的充電功率已從幾年前的 5 瓦增加到如今的高端高端手機(jī)的 50 瓦或更多，并且聲稱新平臺的功率高達(dá) 120 瓦。Navitas 首席執(zhí)行官 Gene Sheridan 表示，筆記本電腦的功率已經(jīng)達(dá)到 50 至 60 瓦，帶有大而笨重的充電器，而 GaN 是提供大功率快速充電的大好機(jī)會，但外形要小得多、重量輕得多。

經(jīng)過 1990 年代分立 GaN 和 2000 年代集成 GaN 的多年學(xué)術(shù)研究，GaNFast 功率集成電路現(xiàn)在是經(jīng)過行業(yè)驗(yàn)證、具有商業(yè)吸引力的下一代解決方案，用于設(shè)計(jì)更小、更輕、更快的充電器和電源適配器。

“GaN 在 600 伏左右非常好，在芯片面積、電路效率和開關(guān)頻率方面明顯優(yōu)于硅，因此在這些壁式充電器中使用 GaN 替代硅是一個(gè)非常好的最佳選擇，”Sheridan 說。“軟開關(guān)拓?fù)渑c我們的 GaN IC 的結(jié)合顯著提高了效率。以移動充電器為例，采用硅和傳統(tǒng)的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，效率僅為 87-89%。使用軟開關(guān)拓?fù)渲械?GaN，我們看到 93-95%?！?

單橋和半橋 GaNFast 功率 IC 是 650V GaN-on-Si FET，具有驅(qū)動和邏輯的單片集成，采用四方扁平無引線 (QFN) 封裝。GaNFast 技術(shù)允許高達(dá) 10 MHz 的開關(guān)頻率，從而可以使用更小、更輕的無源元件。場效應(yīng)晶體管 (FET)、驅(qū)動器和邏輯的單片集成創(chuàng)建了一個(gè)易于使用的組成組件，使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建超快速、超緊湊和超高效的集成動力系統(tǒng)。

集成是最小化延遲和消除限制 Si 和早期分立 GaN 電路開關(guān)速度的寄生電感的關(guān)鍵。憑借低至 5 ns 的傳播延遲和高達(dá) 200 V/ns 的穩(wěn)健 dV/dt，傳統(tǒng)的 65-100 kHz 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可以加速到 MHz 甚至更高。這些集成電路擴(kuò)展了傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能，如反激式、半橋式、諧振式和其他，頻率約為 MHz，允許商業(yè)引入革命性項(xiàng)目。

GaNFast 技術(shù)也將很快進(jìn)入世界上最快的筆記本電腦：Asus ProArt StudioBook One。ProArt One 是 NVIDIA RTX Studio 系統(tǒng)，是第一款配備 NVIDIA Quadro RTX 6000 GPU 的筆記本電腦，基于 NVIDIA 的 ACE 參考架構(gòu)。與 NVIDIA 合作開發(fā)的全新 300W AC-DC 設(shè)計(jì)利用 Navitas 的高速 GaNFast 電源 IC 電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，打造出強(qiáng)大而輕巧的小型便攜式充電器。

“創(chuàng)意人員和其他專業(yè)人士需要具有極高移動性的最高計(jì)算性能，”Sheridan 說?！白鳛?NVIDIA ACE 參考設(shè)計(jì)的一部分，Navitas 的專職技術(shù)人員與 NVIDIA 工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一起解決了這一挑戰(zhàn)，提供了一個(gè) 300 瓦的筆記本電腦適配器，其尺寸和重量不到一半，”他補(bǔ)充道。

GaN 解決方案使您能夠開發(fā)更高效、更緊湊的適配器設(shè)計(jì)。它提供世界上最快的晶體管，這對于超高效的電源轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。新技術(shù)將電力電子設(shè)備的尺寸縮小了 50% 以上，從而可以為移動設(shè)備創(chuàng)建真正的通用電池充電器。使用 GaN 半導(dǎo)體，您可以制造出不僅效率更高，而且在比傳統(tǒng)充電器更小的占地面積內(nèi)提供相同功率的充電器。這些電源保持涼爽 - 耗散少得多，它們需要的組件更少，而且更便宜。