功率半導(dǎo)體的第二次革命五年后，基于氮化鎵 (GaN)的移動快速充電器主宰了旗艦智能手機和筆記本電腦型號，從傳統(tǒng)功率硅芯片中搶占了市場份額。這種下一代“寬帶隙”技術(shù)正在逐步進(jìn)入主流移動應(yīng)用程序，同時從該灘頭市場突圍，進(jìn)入更高功率的消費者、太陽能、數(shù)據(jù)中心和電動汽車。一個新的電源平臺——集成的、功能豐富的、高效的 GaNSense?“半橋”——是高功率、高速應(yīng)用的基本組成部分，其中 GaN 不僅提供更小、更快速的充電和降低系統(tǒng)成本的應(yīng)用，而且還可以節(jié)省大約 2.6 Gtons CO 2/年到 2050 。
基本構(gòu)建塊：全橋和半橋架構(gòu)
術(shù)語“全橋或 H 橋”源自具有四個電源開關(guān)和一個中央“負(fù)載”的電子電路的典型圖形表示。將一對堆疊的電源開關(guān)組合成一個“半橋”——一種基本的、可重復(fù)的、靈活的電源組件組合。例如，在 EV 車載充電器 (OBC) 中，半橋用于輸入功率因數(shù)校正 (PFC) 電路和隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器級。在電機驅(qū)動應(yīng)用中，三個半橋用于創(chuàng)建一個三相逆變器。
速度#1：軟開關(guān)優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換性能
高速——或者更確切地說，高開關(guān)頻率——運行縮小了電力系統(tǒng)中“無源”元件(變壓器、電容器、EMI 濾波器等)的尺寸、重量和成本。然而，由于硅的高電容材料特性，簡單地高速運行標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)湟馕吨鴺O大的損失和可靠性風(fēng)險?！败涢_關(guān)”是一種控制技術(shù)，在該技術(shù)中，功率器件上的過電壓和/或電流在器件打開或關(guān)閉之前被消除，從而避免了與電容或開關(guān)速度相關(guān)的損耗。下面的摘要詳細(xì)介紹了軟開關(guān)與硬開關(guān)的效率優(yōu)勢，并強調(diào)了 GaN 功率 IC 與傳統(tǒng) Si 分立 FET 的材料優(yōu)勢。
在移動快速充電器市場，從 Si 到軟開關(guān) GaN 的轉(zhuǎn)變令人矚目。2019 年，同類最佳的 65 W 硅基 OEM 充電器(聯(lián)想)實現(xiàn)了 0.85 W/cc 的功率密度，零售價為 46 美元。同年，基于 GaN 的 65W“軟開關(guān)、半橋”充電器(小米)達(dá)到 1.27 W/cc，零售價僅為 26 美元?，F(xiàn)在，基于 GaN 的設(shè)計主導(dǎo)了旗艦手機的快速充電，并且出現(xiàn)了一個新類別——“超快速”充電——使用 GaN 可以在不到 10 分鐘的時間內(nèi)將 5,000 mAhr 手機電池從 0% 充電到 100% - 基于 150 W 充電器。
升級到更高功率、多千瓦的數(shù)據(jù)中心 AC-DC 電源承載多個軟開關(guān)、半橋元件。典型設(shè)計分為兩部分：第一部分用于電源 AC-DC 整流和“功率因數(shù)校正”(PFC)，第二部分“DC-DC”結(jié)合了隔離和降壓功能?，F(xiàn)代設(shè)計使用“圖騰柱”(TP)結(jié)構(gòu)，通過使用兩個半橋電路結(jié)合 AC-DC 和 PFC 功能，一個以低速運行以處理交流電源頻率(50-60 Hz)，另一個以 100 的 kHz 或 MHz+ 來控制 PFC。DC-DC 級是另一個半橋，通常在 LLC 拓?fù)渲?，或者有時是全橋以提供更高的功率，并且再次以高開關(guān)速度運行。顯示了一個示例 3.2 kW“MHz”設(shè)計，可變頻率邊界模式 TP PFC 在 500 kHz 和 1 之間運行。[八]。這是一種“全 GaN”動力總成設(shè)計，具有用于 PFC 和 DC-DC 初級的 650 V GaNFast 電源 IC，以及用于 DC-DC 次級的 200 V GaN FET。
速度#2：電機驅(qū)動應(yīng)用旋轉(zhuǎn)硬開關(guān)異常。
如前所述，用于電動機的現(xiàn)代“變速驅(qū)動器”(VSD)，如家用電器、HVAC、工業(yè)機械、電動汽車、機器人等，使用三個半橋來創(chuàng)建“三相”拓?fù)?。雖然有先進(jìn)的學(xué)術(shù)研究在雙向排列中使用寬帶隙材料(GaN、SiC)進(jìn)行軟開關(guān)，但當(dāng)今大規(guī)模生產(chǎn)的大多數(shù)電機驅(qū)動器都是低頻(~6 kHz)和“硬-切換'。即使在這種硬開關(guān)應(yīng)用中，GaN 的低開關(guān)電容材料特性和零“反向恢復(fù)”電荷意味著可以提高開關(guān)速度，同時降低損耗。
集成：介紹 GaNSense 半橋
從歷史上看，電源設(shè)計人員必須使用分立晶體管和大量外部控制器、傳感器和外圍組件來創(chuàng)建半橋電路?，F(xiàn)在，GaNSense 半橋電源 IC 采用小型 6 x 8 mm 表面貼裝 PQFN 封裝，適用于從 200 W 電視/顯示器到 1 kW 電機驅(qū)動的廣泛應(yīng)用。這些下一代功率 IC 將兩個 GaN 功率 FET 與 GaN 驅(qū)動器以及控制、傳感、保護(hù)和隔離相結(jié)合。
與復(fù)雜、成本高且可能不穩(wěn)定的分立實現(xiàn)不同，GaNSense 半橋包含可簡化設(shè)計的高級功能，例如標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯輸入、高側(cè)自舉和電平轉(zhuǎn)換，以及實現(xiàn)最高效率和最大性能的無損電流感應(yīng)第一次正確，最快上市時間的設(shè)計的機會。作為一款真正的 IC，過流、過溫檢測和自主控制、擊穿保護(hù)、2 kV ESD 和 200 V/ns 轉(zhuǎn)換速率等保護(hù)功能成為標(biāo)準(zhǔn)配置。與分立 GaN 解決方案相比，GaNSense 半橋可將組件數(shù)量和 PCB 面積減少 60%，消除不可靠的操作，提供 6 倍的“檢測到保護(hù)”操作速度和更高的效率。
有一個適用于 16 英寸筆記本電腦的 140 W 快速充電器示例，使用 GaNSense 半橋 IC 實現(xiàn) PCBA 尺寸 60 x 60 x 25 mm (90 cc) 和估計外殼尺寸 65 x 65 x 30 mm ( 130 cc) 和 1.1 W/cc 的功率密度。TP-PFC 和非對稱半橋 (AHB) DC-DC 均使用 NV6247，并在 90 V AC、140 W / 20 V 下實現(xiàn) 93.5% 的無殼效率 – 效率提升 1% 或節(jié)能高達(dá) 15% – 與分立 GaN 解決方案相比。
標(biāo)準(zhǔn)電機驅(qū)動器在三相拓?fù)涞拿總€小腿中都有一個有損電流感應(yīng)電阻器。由于溫度升高，這種檢測電阻器在能量損失、PCB 空間、元件數(shù)量、成本和可靠性方面對設(shè)計人員來說是一個負(fù)擔(dān)。借助 GaNSense，這三個損耗點立即被消除，從而降低了溫度、節(jié)省了更多的能源以及更小、更可靠的系統(tǒng)。對于更高功率的系統(tǒng)，具有高速數(shù)字隔離器的單個 GaNFast 功率 IC 陣列可創(chuàng)建 kW+ 半橋構(gòu)建塊，支持 EV OBC、牽引驅(qū)動、大型空調(diào)、熱泵等。
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