GaN 半桥集成加速电力电子革命

功率半导体的第二次革命五年后，基于氮化镓 (GaN)的移动快速充电器主宰了旗舰智能手机和笔记本电脑型号，从传统功率硅芯片中抢占了市场份额。这种下一代“宽带隙”技术正在逐步进入主流移动应用程序，同时从该滩头市场突围，进入更高功率的消费者、太阳能、数据中心和电动汽车。一个新的电源平台——集成的、功能丰富的、高效的 GaNSense™“半桥”——是高功率、高速应用的基本组成部分，其中 GaN 不仅提供更小、更快速的充电和降低系统成本的应用，而且还可以节省大约 2.6 Gtons CO 2/年到 2050 。

基本构建块：全桥和半桥架构

术语“全桥或 H 桥”源自具有四个电源开关和一个中央“负载”的电子电路的典型图形表示。将一对堆叠的电源开关组合成一个“半桥”——一种基本的、可重复的、灵活的电源组件组合。例如，在 EV 车载充电器 (OBC) 中，半桥用于输入功率因数校正 (PFC) 电路和隔离式 DC-DC 转换器级。在电机驱动应用中，三个半桥用于创建一个三相逆变器。

速度#1：软开关优化电源转换性能

高速——或者更确切地说，高开关频率——运行缩小了电力系统中“无源”元件(变压器、电容器、EMI 滤波器等)的尺寸、重量和成本。然而，由于硅的高电容材料特性，简单地高速运行标准拓扑意味着极大的损失和可靠性风险。“软开关”是一种控制技术，在该技术中，功率器件上的过电压和/或电流在器件打开或关闭之前被消除，从而避免了与电容或开关速度相关的损耗。下面的摘要详细介绍了软开关与硬开关的效率优势，并强调了 GaN 功率 IC 与传统 Si 分立 FET 的材料优势。

在移动快速充电器市场，从 Si 到软开关 GaN 的转变令人瞩目。2019 年，同类最佳的 65 W 硅基 OEM 充电器(联想)实现了 0.85 W/cc 的功率密度，零售价为 46 美元。同年，基于 GaN 的 65W“软开关、半桥”充电器(小米)达到 1.27 W/cc，零售价仅为 26 美元。现在，基于 GaN 的设计主导了旗舰手机的快速充电，并且出现了一个新类别——“超快速”充电——使用 GaN 可以在不到 10 分钟的时间内将 5,000 mAhr 手机电池从 0% 充电到 100% - 基于 150 W 充电器。

升级到更高功率、多千瓦的数据中心 AC-DC 电源承载多个软开关、半桥元件。典型设计分为两部分：第一部分用于电源 AC-DC 整流和“功率因数校正”(PFC)，第二部分“DC-DC”结合了隔离和降压功能。现代设计使用“图腾柱”(TP)结构，通过使用两个半桥电路结合 AC-DC 和 PFC 功能，一个以低速运行以处理交流电源频率(50-60 Hz)，另一个以 100 的 kHz 或 MHz+ 来控制 PFC。DC-DC 级是另一个半桥，通常在 LLC 拓扑中，或者有时是全桥以提供更高的功率，并且再次以高开关速度运行。显示了一个示例 3.2 kW“MHz”设计，可变频率边界模式 TP PFC 在 500 kHz 和 1 之间运行。[八]。这是一种“全 GaN”动力总成设计，具有用于 PFC 和 DC-DC 初级的 650 V GaNFast 电源 IC，以及用于 DC-DC 次级的 200 V GaN FET。

速度#2：电机驱动应用旋转硬开关异常。

如前所述，用于电动机的现代“变速驱动器”(VSD)，如家用电器、HVAC、工业机械、电动汽车、机器人等，使用三个半桥来创建“三相”拓扑。虽然有先进的学术研究在双向排列中使用宽带隙材料(GaN、SiC)进行软开关，但当今大规模生产的大多数电机驱动器都是低频(~6 kHz)和“硬-切换'。即使在这种硬开关应用中，GaN 的低开关电容材料特性和零“反向恢复”电荷意味着可以提高开关速度，同时降低损耗。

集成：介绍 GaNSense 半桥

从历史上看，电源设计人员必须使用分立晶体管和大量外部控制器、传感器和外围组件来创建半桥电路。现在，GaNSense 半桥电源 IC 采用小型 6 x 8 mm 表面贴装 PQFN 封装，适用于从 200 W 电视/显示器到 1 kW 电机驱动的广泛应用。这些下一代功率 IC 将两个 GaN 功率 FET 与 GaN 驱动器以及控制、传感、保护和隔离相结合。

与复杂、成本高且可能不稳定的分立实现不同，GaNSense 半桥包含可简化设计的高级功能，例如标准数字逻辑输入、高侧自举和电平转换，以及实现最高效率和最大性能的无损电流感应第一次正确，最快上市时间的设计的机会。作为一款真正的 IC，过流、过温检测和自主控制、击穿保护、2 kV ESD 和 200 V/ns 转换速率等保护功能成为标准配置。与分立 GaN 解决方案相比，GaNSense 半桥可将组件数量和 PCB 面积减少 60%，消除不可靠的操作，提供 6 倍的“检测到保护”操作速度和更高的效率。

有一个适用于 16 英寸笔记本电脑的 140 W 快速充电器示例，使用 GaNSense 半桥 IC 实现 PCBA 尺寸 60 x 60 x 25 mm (90 cc) 和估计外壳尺寸 65 x 65 x 30 mm ( 130 cc) 和 1.1 W/cc 的功率密度。TP-PFC 和非对称半桥 (AHB) DC-DC 均使用 NV6247，并在 90 V AC、140 W / 20 V 下实现 93.5% 的无壳效率 – 效率提升 1% 或节能高达 15% – 与分立 GaN 解决方案相比。

标准电机驱动器在三相拓扑的每个小腿中都有一个有损电流感应电阻器。由于温度升高，这种检测电阻器在能量损失、PCB 空间、元件数量、成本和可靠性方面对设计人员来说是一个负担。借助 GaNSense，这三个损耗点立即被消除，从而降低了温度、节省了更多的能源以及更小、更可靠的系统。对于更高功率的系统，具有高速数字隔离器的单个 GaNFast 功率 IC 阵列可创建 kW+ 半桥构建块，支持 EV OBC、牵引驱动、大型空调、热泵等。