功率半導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”技術正在逐步進入主流移動應用程序，同時從該灘頭市場突圍，進入更高功率的消費者、太陽能、數(shù)據中心和電動汽車。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)成本的應用，而且還可以節(jié)省大約 2.6 Gtons CO 2/年到 2050 。

基本構建塊：全橋和半橋架構

術語“全橋或 H 橋”源自具有四個電源開關和一個中央“負載”的電子電路的典型圖形表示。將一對堆疊的電源開關組合成一個“半橋”——一種基本的、可重復的、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 轉換器級。在電機驅動應用中，三個半橋用于創(chuàng)建一個三相逆變器。

速度#1：軟開關優(yōu)化電源轉換性能

高速——或者更確切地說，高開關頻率——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，簡單地高速運行標準拓撲意味著極大的損失和可靠性風險?！败涢_關”是一種控制技術，在該技術中，功率器件上的過電壓和/或電流在器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。下面的摘要詳細介紹了軟開關與硬開關的效率優(yōu)勢，并強調了 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 GaN 的轉變令人矚目。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、半橋”充電器(小米)達到 1.27 W/cc，零售價僅為 26 美元?，F(xiàn)在，基于 GaN 的設計主導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：第一部分用于電源 AC-DC 整流和“功率因數(shù)校正”(PFC)，第二部分“DC-DC”結合了隔離和降壓功能?，F(xiàn)代設計使用“圖騰柱”(TP)結構，通過使用兩個半橋電路結合 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 拓撲中，或者有時是全橋以提供更高的功率，并且再次以高開關速度運行。顯示了一個示例 3.2 kW“MHz”設計，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：電機驅動應用旋轉硬開關異常。

如前所述，用于電動機的現(xiàn)代“變速驅動器”(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”拓撲。雖然有先進的學術研究在雙向排列中使用寬帶隙材料(GaN、SiC)進行軟開關，但當今大規(guī)模生產的大多數(shù)電機驅動器都是低頻(~6 kHz)和“硬-切換'。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。

集成：介紹 GaNSense 半橋

從歷史上看，電源設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 電機驅動的廣泛應用。這些下一代功率 IC 將兩個 GaN 功率 FET 與 GaN 驅動器以及控制、傳感、保護和隔離相結合。

與復雜、成本高且可能不穩(wěn)定的分立實現(xiàn)不同，GaNSense 半橋包含可簡化設計的高級功能，例如標準數(shù)字邏輯輸入、高側自舉和電平轉換，以及實現(xiàn)最高效率和最大性能的無損電流感應第一次正確，最快上市時間的設計的機會。作為一款真正的 IC，過流、過溫檢測和自主控制、擊穿保護、2 kV ESD 和 200 V/ns 轉換速率等保護功能成為標準配置。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”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 15% – 與分立 GaN 解決方案相比。

標準電機驅動器在三相拓撲的每個小腿中都有一個有損電流感應電阻器。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+ 半橋構建塊，支持 EV OBC、牽引驅動、大型空調、熱泵等。