半橋整合技術加速電力電子技術革命

作者 : Navitas

高速氮化鎵(GaN)半橋整合技術可打造更小、充電更快的下一代電源系統,以替代矽晶片。

在功率半導體第二次革命的五年後,基於GaN的行動快充主導了旗艦智慧型手機和筆記型電腦市場,從傳統功率矽(Si)晶片中搶走了市佔率。這種下一代「寬能隙」(WBG)技術已經成為旗艦快速充電和超快速充電智慧手機的主導技術,正在逐步滲透到主流行動裝置的應用中,同時從搶灘市場突破到更高功率的消費電子產品市場、太陽能、資料中心和電動車(EV)。

一個新的電源平台——高效的、功能豐富的整合GaNFast「半橋」——是高功率、高頻應用的基本組成部分,在這些應用中,GaN不僅可以提供更小、更快的充電和降低系統成本的應用,而且到2050年預計每年可減少2.6噸二氧化碳。

基本建構塊:全橋和半橋架構

專有名詞「全橋或H橋」源自具有四個功率開關元件和一個中央「負載」的典型的電路圖。將一對堆疊的功率開關元件組合成一個「半橋」——一種基本的、可重複的、靈活的功率元件組合。例如,在EV車載充電器(OBC)中,半橋用於輸入功率因數校正(PFC)電路和隔離式DC-DC轉換器級。在馬達驅動應用中,三個半橋用於創建一個三相逆變器。

 

圖1:半橋結構是電力電子電路的基本模組。

 

速度#1:軟開關最佳化了電源轉換性能

高速——或者更確切地說,高開關頻率——運作縮小了電源系統中「被動」元件(變壓器、電容器、EMI濾波器等)的尺寸、重量和成本。然而,由於Si的高電容材料特性,簡單地高速運作標準拓撲意味著極大的損失和可靠性風險。「軟開關」是一種控制技術,在該技術中,功率元件上的過電壓和/或過電流在元件打開或關閉之前被消除,從而避免了與電容或開關速度相關的損耗。以下摘要詳細介紹了軟開關與硬開關的效率優勢,並強調了GaN功率IC與傳統Si離散FET的材料優勢。

 

圖2:在軟開關拓撲中採用GaNFast GaN功率晶片將避免開通損耗、二極體反向恢復和驅動損耗。

 

在行動快速充電器市場,從Si到軟開關GaN的轉變令人矚目。2019年,同類最佳的65W矽基OEM充電器(聯想)實現了0.85W/cc的功率密度,零售價為46美元。同年,基於GaN的65W「軟開關、半橋」充電器(小米)達到1.27W/cc,零售價僅為26美元。現在,基於GaN的設計主導了旗艦手機的快速充電,並且出現了一個新類別——「超快速」充電——使用GaN可以在不到10分鐘的時間內,用基於150W充電器,將5,000毫安培時的手機電池從0%充電到100%。

升級到更高功率、多千瓦的資料中心AC-DC電源承載多個軟開關、半橋元件。典型設計分為兩部分:第一部分用於電源AC-DC整流和PFC,第二部分DC-DC結合了隔離和降壓功能。現代設計使用「圖騰柱」(TP)結構,透過使用兩個半橋電路結合AC-DC和PFC功能,其中一個半橋以低速運作來處理交流電源頻率(50~60Hz),另一個半橋以幾百kHz或MHz+來控制PFC。DC-DC級是另一個半橋,通常在LLC拓撲中,或者有時是全橋以提供更高的功率,並且再次以高開關速度運作。圖3顯示了一個示例3.2kW「MHz」設計,可變頻率邊界模式T-P PFC運作在500kHz和1.5MHz之間,下游DC-DC運作在1MHz,提供令人印象深刻的功率密度,比典型的產業標準以W/cc為單位高2倍。這是一種「全GaN」動力傳動設計,具有用於PFC和DC-DC初級的650V GaNFast電源IC,以及用於DC-DC次級的200V GaN FET。

 

圖3:使用氮化鎵功率晶片的3.2kW伺服器電源,在1MHz開關頻率下運作,運用圖騰柱PFC和LLC,效率可達98%,並實現4.4W/cc的功率密度。

 

速度#2:馬達驅動應用中提高硬開關速度

如前所述,用於馬達的現代「變速驅動器」(VSD),如家用電器、HVAC、工業機械、EV、機器人等,使用三個半橋來創建「三相」拓撲。雖然在雙向變換器中使用寬頻隙材料(GaN、SiC)進行軟開關方面已有先進的學術研究,但當今大規模生產的大多數馬達驅動器都是低頻(~6kHz)和「硬開關」。即使在這種硬開關應用中,GaN的低開關電容材料特性和零「反向恢復」電荷意味著可以提高開關速度,同時降低損耗。在這個例子中,GaN將總功率損耗降低了78%,同時運作速度比傳統的Si IGBT設計快3倍。

 

圖4:GaNFast GaN功率晶片可降78%的總功率損耗,同時運作速度比傳統的Si IGBT設計快3倍。

 

整合:介紹GaNFast半橋

電源設計人員以前必須使用離散電晶體和無數外部控制器、感測器和週邊元件來搭建半橋電路。現在,採用GaNSense技術的新型、易於使用、高性能的GaNFast半橋功率IC採用小型6 × 8mm表面黏著封裝,適用於從200W電視/顯示器到1kW馬達驅動器的廣泛應用。這些高度整合的下一代功率IC將兩個GaN功率FET與GaN驅動,以及控制、感測、保護和隔離相結合。

 

圖5:GaNSense半橋功率晶片整合了驅動、控制、電流感應和保護,以及電平訊號轉換,並採用了6 × 8mm PQFN封裝。

 

與複雜、成本高且可能不穩定的離散方案不同,GaNFast半橋包含可簡化設計的高階功能,例如標準數位邏輯輸入、高邊自舉和電平轉換,以及無損電流感測技術,以實現最高效率和最大機會實現「一版搞定」和最快上市時間的設計。作為一款真正的IC,過流、過溫感測和自主控制、直通保護、2kV ESD和高達200V/ns的dv/dt能力等保護功能是標準配置。與離散GaN解決方案相比,GaNFast半橋可將元件數量和PCB面積減少60%,消除不可靠的運作,提供6倍的「檢測到保護」操作速度和更高的效率。NV6247 (2x 160mΩ)和NV6245 (2x 275mΩ)半橋是首款採用新GaNSense技術的產品,隨後將推出更高功率的產品組合。

 

圖6:GaNSense半橋技術方案帶來了最小的PCB面積及最少的元件數量,並在開關過程中不產生雜訊和故障。

 

圖7是一個適用於16吋筆記型電腦的140W快速充電器示例,使用GaNFast半橋NV62xx實現PCBA。尺寸為60 × 60 × 25mm (90 cc)和估計外殼尺寸為65 × 65 × 30mm (130 cc),以及1.1W/cc的功率密度。圖騰柱PFC和非對稱半橋(AHB) DC-DC均使用NV6247,並在90VAC、140W/20V時實現93.5%的無外殼效率——效率提升1%或節能高達15%——與離散GaN解決方案相比。

 

圖7:採用了GaNSense半橋技術的140W充電器,在運作非對稱半橋拓撲時效率可達93.5%,功率密度為1.1W/cc。

 

標準馬達驅動器在三相拓撲的每個低邊開關元件中都有一個有損電流感應電阻器。由於較高的溫度,該檢測電阻器在能量損失、PCB空間、元件數量、成本和可靠性方面對設計人員來說是一個負擔。借助GaNSense,這三個損耗點立即被消除,從而降低溫度、節省更多能源,以及更小、更可靠的系統。對於更高功率的系統,具有高速數位隔離器的單個GaNFast功率IC陣列可創建kW+半橋構建塊,支援EV OBC、牽引驅動、大型空調、熱泵等。

 

圖8:整合的無損電流檢測和自動短路保護的半橋技術,可得到極為簡單緊湊的電源配置。圖中a)傳統的電流電阻的離散式三相馬達驅動;b)整合了無損電流監測的GaNSense半橋整合方案。

 

市場擴張和加速

GaN已在行動快速充電器中得到驗證,Navitas累計出貨量超過5,000萬台,GaN現場故障報告為零,並提供業界首創的20年受限質保。現在,GaNFast半橋加速了消費類應用、馬達驅動、太陽能、資料中心和EV電源的設計,預計每年有140億美元的市場機會。

參考資料

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ii “Introduction to Wide Band-Gap Semiconductors”, Navitas website.

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vi “Here come the GaN Chargers”, Oliver, conference presentation, Bodo’s Power Conference, December 2019.

Vii “Navitas Powers World’s Fastest Smartphone Charging Technology from realme at MWC 2022”, Navitas press release, March 2022.

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