下一代氮化镓 (GaN)半桥 IC 可以提供 2 MHz 的开关频率

传统上，电源设计人员必须使用分立晶体管和多个外部元件(例如驱动器、电平转换器、传感器、自举电路和外围设备)构建半桥电路。Navitas Semiconductor最近宣布推出业界首款 GaNSense 半桥功率 IC，采用紧凑型 6×8-mm 表面贴装 PQFN 封装。

据该公司称，这些下一代氮化镓 (GaN)半桥 IC 提供 2 MHz 的开关频率，元件和电路尺寸减少了 60% 以上。与现有的分立解决方案相比，这反过来又降低了系统成本和复杂性，现有的分立解决方案需要更多的组件，更昂贵，并且提供更低的开关频率、密度和效率。

新器件集成了两个具有驱动器、控制、传感、自主保护和电平转换隔离功能的 GaN FET，构成了电力电子的完整功率级构建模块。

氮化镓器件

“我们新的 GaNSense 半桥功率 IC 是一个巨大的进步，它将彻底改变电力电子，因为我们将所有东西都集成在一个封装中，在高速拓扑中实现兆赫兹开关频率，” Navitas Semiconductor 的董事 Llew Vaughan-Edmunds说.

为了获得更高的可靠性和稳健性，集成的 GaNSense 技术可通过无损电流感应实现自主保护，从而提高效率和节能水平。高集成度使各种AC-DC 电源拓扑成为可能，例如 LLC 谐振、非对称半桥 (AHB) 和有源钳位反激式 (ACF)，通过消除电路寄生和延迟以兆赫频率运行。图腾柱 PFC 和电机驱动应用同样非常适合 GaNSense 半桥 IC。

市场所需的电力水平不断提高。快速充电器的典型额定功率已从 20-30 W 增加到 65 W，并且引入了功率 >100-W 的新超快速类别——甚至高达 200 W，可在更短的时间内为 4,700 mAhr 电池提供 0-100% 的充电不到 10 分钟，Navitas 说。同样，数据中心的目标效率将从 80% 提高到 90% 或更高，而客户也需要更快地为电动汽车充电。

市场对当前和未来电源应用的主要需求是尺寸、重量、效率和速度。通过使用零电压开关 (ZVS) 等软开关拓扑，GaNSense 半桥 IC 最大限度地减少了开关损耗并提高了效率，同时还实现了更快的开关和更小的占板面积。

“我们正在软开关拓扑和半桥平台中实现最高频率、效率和最紧凑的设计，”Vaughan-Edmunds 说。“传统的硅解决方案具有较低的频率、较低的效率和较低的功率密度。对于 GaN，我们现在谈论的是兆赫兹和更高的开关频率。”

Navitas 表示，其解决方案与竞争对手的解决方案不同之处在于，它具有集成栅极驱动(可消除 eMode 栅极的寄生电感、关断和错误开启)、敏感的 eMode 栅极节点保护(可保护设备免受系统影响噪声和电压尖峰)，以及高性能的 GaNSense 技术。

这包括用于简化设计的高级功能，例如标准和数字逻辑输入、高侧自举和电平转换，以及无损电流检测，以实现最高效率和最大的一次成功机会，最快的时间到-市场设计——与复杂、昂贵且可能不稳定的分立实施形成对比。直通保护、过流、过热感应和自主控制、2 kV ESD 和 200 V/ns 转换率功能都是这款真正 IC 的标准配置。

分立式GaN半桥解决方案与使用 GaNSense 半桥 IC 设计的等效电路板之间的比较如图 2 所示，如Vaughan-Edmunds所述。

“我们可以看到 GaNSense 解决方案需要的组件减少了 61%，占地面积显着减少并提供了更高的集成度。此外，它不需要外部高压自举、高压旁路二极管，也没有外露的栅极。6×8 mm PQFN 封装下方的两个焊盘具有更大的尺寸以改善热管理，” Vaughan-Edmunds 说。

在 GaNSense 技术提供的不同保护措施中，短路保护是电机驱动应用的关键因素。该器件在检测到短路后不再有 5 微秒或 10 微秒的延迟，而是在 30 纳秒内自行关闭——比分立器件快六倍。

这称为自主保护，因为 GaNSense 半桥电源 IC 不需要中断微控制器来告诉它关闭它;它会自行关闭。减少占地面积也是中功率电机驱动应用的一个相关特性。

GaNSense 半桥 IC 系列由两部分组成：额定电压为 650 V、160 m Ω (双)的 NV6247 和额定为 275 m Ω (双)的 NV6245C。两者均采用行业标准、薄型、低电感、6×8 毫米 PQFN 封装。这两款 IC 均满足不同电源应用的需求，包括移动快速和超快速充电器、家用电器和电机驱动。

NV6247 可立即投入生产，交货期为 16 周，适用于功率级别为 100 W 至 140 W 的移动和消费应用(如 PFC 和充电器)，以及功率高达 400 W 的泵和风扇。 NV6245C 目前正在为部分客户提供样品，并将在今年年底前向所有客户广泛量产。GaNSense 半桥 IC 系列随后将扩展，在未来几个季度提供范围广泛的封装样式和功率级别。

电机控制

GaNSense 半桥 IC 还支持逆变器-电机集成。三个半桥通常用于在现代电机变速驱动器中提供三相拓扑结构，如家用电器、HVAC、工业机械、电动汽车和机器人技术。今天的大多数电机驱动器都是低频和硬开关的。GaN 的低开关电容和无反向恢复电荷允许提高开关频率，同时即使在硬开关应用中也能最大限度地减少损耗。

根据 Navitas 的说法，电机驱动器中 IGBT、SJ MOSFET 和 GaNFast IC 之间的功率损耗比较表明 GaN 如何将总功率损耗降低 78%，同时运行速度比传统 Si IGBT 设计快 3 倍。通过在 2 kW 电机驱动设计中使用 GaN 功率 IC，逆变器效率提高了 2.5%(从 96% 到 98.5%)，同时总损耗降低了 50%(从 15 W 到 6.8 W)。

“我们还取消了散热器，我们打算将其放入电机轴中，”Vaughan-Edmunds 说。“对于需要电机一体化逆变器的客户来说，这是一个完美的解决方案。我们觉得我们拥有最高的整合水平。”