Navitas 在 GaN 半导体领域的设计之旅

Navitas Semiconductor 是一家主要的氮化镓 (GaN) 功率器件供应商，在拉斯维加斯举行的 CES 2023 上展示了其最新产品。这些基于 GaN 的设备涵盖从 20-W 手机充电器到 2-kW 数据中心电源和 20-kW 电动汽车 (EV) 充电器到兆瓦级并网产品。

在 CES 2023 展会上，Navitas 通过其高级管理人员和 GaN 技术合作伙伴的演示引起了一些 GaN 的关注。该公司还能够突出其“让我们的世界通电”的主题，同时为展位参观者宣布了各种奖品。Navitas 在拉丁语中意为能量，自从在加利福尼亚州马里布的休斯研究实验室 (HRL) 停车场的拖车上成立以来，已经走过了漫长的道路。

它由前 International Rectifier (HRL) 高管 Gene Sheridan 和 Dan Kinzer 于 2013 年创立。第二年，投资公司 MalibuIQ 从 HRL 获得了 GaN 电力电子技术的许可，HRL 在为军用射频和毫米波应用成熟 GaN 器件方面做了大量工作。

2015 年 7 月，Navitas 筹集了 1510 万美元的股权融资。它还从拖车搬到了加利福尼亚州的埃尔塞贡多，最终在加利福尼亚州托伦斯设立了总部。公司现有员工约200人;其中大约一半在美国，其余在亚洲和欧洲的不同地区。

GaN 设计挑战

CES 2023 展厅是衡量 GaN 半导体在过去几年中取得的设计进展的好地方。Navitas 联合创始人兼首席技术官 Dan Kinzer 表示，缺乏快速且经济高效地驱动 GaN 晶体管的高性能电路一直是 GaN 半导体潜力的关键限制。

Navitas 通过将 GaN 驱动和逻辑电路与 GaN 功率 FET 单片集成，找到了解决这一设计挑战的方法。这种单片集成可实现高频电源转换，并能够缩小变压器、EMI 滤波器和输出电容器等无源元件。这反过来又促进了可以将旧的和慢速硅设备的一半尺寸和重量充电速度提高 3 倍的解决方案。

Navitas Semiconductor 企业营销副总裁 Stephen Oliver在公司展位与EDN交谈时进一步阐述了 GaN 器件的这一关键设计前提。他说，GaN 一直是帮助制造快速高效半导体的重要材料，但它有一个大问题：栅极。它非常脆弱，如果给它施加太大的电压，它就会坏掉。因此，当您的开关带有易受攻击的栅极时，您必须对其进行大量保护。这会占用更多的空间和设计成本。

此外，Oliver 警告说，您仍有机会获得电压尖峰。所以，你必须放慢速度，甚至考虑回到硅片。“这是一条死胡同。” 然而，GaN 开关、GaN 驱动器、GaN 稳压器、GaN ESD 保护二极管、电平转换、自举、欠压锁定和电流感应的集成导致了强大的 GaN IC 的诞生。

热管理是 GaN 半导体的另一个绊脚石。“GaN 的好处是电阻比硅低得多，这让你可以开发出非常小的芯片，”Oliver 说。“不好的是，较小的芯片表面积较小，因此对外界的热阻会降低。” 因此，设计工程师必须确保 GaN 器件不会产生太多热量。“我们对初始平台所做的是使用标准 QFN 封装尺寸，”Oliver 补充道。

GaN 的功率中断

为了克服与 GaN 相关的设计挑战，Navitas 还采用了平台级或系统级方法。“这是一项新技术，因此如果您为习惯于以 50 kHz 工作的电源系统设计人员提供以 2 MHz 运行的产品，他们将需要一点帮助，”Oliver 说。“我们创建了围绕操作方法构建的设计平台，以便工程师可以审查材料清单等必要的细节。”

Navitas 在这种宽带隙 (WBG) 技术已经跨越从学术界到商业用例的桥梁时进入了 GaN 领域。快进到 2023 年，这位 GaN 专家在与 TSMC 合作晶圆和 Amkor 进行封装的同时，有信心继续提供可以在电力电子领域取代硅的 GaN 解决方案。

图 3在移动充电器和数据中心电源之后，EV 是 GaN 功率器件的下一个前沿领域之一。资料来源：纳微半导体

就在几年前，人们还在问 GaN 什么时候会出现。而现在，当 GaN 已经出现时，加入 GaN 派对可能有点晚了。Navitas 是为数不多的 GaN 器件专家之一，现在是这场电力电子市场颠覆的一部分。2023 年可能与市场渗透有关，纳微似乎是这场 GaN 财富竞赛的一部分。