纳芯微:助力氮化镓先进应用

　　未来已来，氮化镓的社会经济价值加速到来。

　　本文介绍了镓未来和纳芯微在氮化镓方面的技术合作方案。镓未来提供的紧凑级联型氮化镓器件与纳芯微隔离驱动器配合，隔离驱动器保证了异常工作情况下对氮化镓器件的有效保护，完美展现了氮化镓在先进应用中高效率低损耗的核心价值，让工程师放心无忧采用氮化镓。

　　普通消费者了解并接受氮化镓，是从2018年氮化镓PD快充开始的。凭借氮化镓卓越的开关特性，可以高频工作，实现高转换效率，氮化镓PD快充成功实现了小型化和轻量化，消费者易于携带，用户体验大幅度提升。在过去几年内，氮化镓在PD快充中的渗透率逐步提升，消费者对氮化镓的认知是“氮化镓=黑科技”，采用氮化镓的PD快充可以卖到小几百元，普通的采用硅器件的PD快充售价往往在一百元以内。氮化镓的应用，很快从PD快充拓展到其它消费类产品中，输出功率从30W、65W逐步提升到120W甚至更大功率。

　　普通消费者，甚至对氮化镓了解不多的工程师，普遍认为氮化镓只能实现几十瓦到一百多瓦的输出功率。这种情况基本属实，因为增强型氮化镓目前只有QFN/DFN和TOLL等贴片封装形式，在中大功率应用场景的散热问题难以解决。但是，镓未来氮化镓采用独特的紧凑级联型技术，封装形式涵盖QFN/DFN、TOLL、TO-220和TO-247等多种形式，满足小功率（30W~300W）、中功率（300W~1kW）和大功率（1kW~6kW）等各种丰富的应用场景。

　　镓未来在成立之初，聚焦中小功率的应用和市场拓展，但是从2022年开始，公司发力中大功率的应用市场，在便携式储能双向逆变器、服务器电源、算力电源和植物照明电源等应用领域取得不少突破。市场对氮化镓接受程度的稳步提升，主要得益于社会对节能减排和高效率电能转换的普遍共识。

　　80+能效标准

　　实现80+ 96%钛金效率，或者CQC嵌入式电源输出40V以内能效VI级96%峰值效率和VII级97%峰值效率，最具性价比的解决方案是氮化镓图腾柱无桥PFC拓扑加谐振软开关LLC拓扑的方案。

　　PART 01

　　氮化镓实现高转换效率，赋能节能减排

　　氮化镓凭借卓越的开关特性，具有“零”反向恢复电荷Qrr，特别适用于CCM BTP PFC (Continuous Current Mode Bridgeless Totem-Pole Power Factor Correction) 拓扑结构，相较于其它普遍采用的传统拓扑结构，其主要优点包括：

　　元器件最少，成本最低，性价比最高

　　效率最高，损耗大幅度下降，热管理简单，可以实现自然散热

　　单机功率大，功率密度高，重量轻

　　控制简单，能量可双向流动，整流和逆变一机两用

　　基于GaN的CCM BTP PFC拓扑

　　PART 02

　　氮化镓在中大功率应用中的挑战及应对措施

　　镓未来作为紧凑级联型氮化镓器件国内领先的供应商，其氮化镓晶圆良率超过95%，结合本地化供应链和资源整合优势，性价比突出。相对于增强型氮化镓来说，镓未来紧凑级联型氮化镓的主要优势包括：

　　Vgs阈值电压下限高达3.5V，抗干扰性能强，特别适用于高频、硬开关和大功率应用

　　Vgs阈值电压上限高达20V（静态），30V（动态），驱动兼容Si MOSFET驱动器

　　不需要负压关断，外围电路简单

　　有半个体二极管，不需要反并联SBD以降低续流损耗并提升效率

　　封装种类齐全，包括贴片QFN/DFN/TOLL和插件TO-220/TO-247等封装形式，覆盖全功率范围应用场景

　　有直接替代料，持续大批量供货无忧

　　但是，氮化镓普遍存在一些局限，包括雪崩能力偏弱，漏源需要提升过电压能力；还有电流抗冲击能力有待提升，在半桥电路中要预防上下管直通。针对前者，镓未来氮化镓过压能力突出，比如标定耐压650V器件，其Vds在800V下非可重复和750V下可重复的尖峰电压持续时间高达30us。针对后者，驱动器需要具备Interlock功能，即当DSP数字控制器或者模拟控制器给出的上下管驱动电压同时为高时，驱动器通过自身逻辑控制，将上下管驱动电压锁定为低，确保氮化镓器件不会直通并安全工作。在AC输入动态、DC输出动态、雷击浪涌等情况下，DSP数字控制器或模拟控制器可能因为外部干扰，输出误动作信号，具有Interlock功能的驱动器可以有效的保护氮化镓器件。

　　镓未来应用开发团队具有丰富的数字控制和模拟控制经验，已经将半桥氮化镓驱动电路归一化，即统一采用纳芯微NSi6602隔离驱动器。

　　根据NSi6602的逻辑表，DT脚实现输出Interlock功能或者死区调节功能。同时，NSi6602输入信号和输出信号隔离，这样便于PCB板布线，进一步提升抗干扰性能。NSi6602抗共模干扰能力CMTI高达150V/ns，这个在大功率短路和过流保护的时候很重要。另外其上下驱动的差模电压可达1500V，也适用于900V氮化镓器件以及三相系统的应用。

　　好马配好鞍，镓未来氮化镓和纳芯微隔离驱动器比翼双飞，成双成对出现，隔离驱动器保证了异常工作情况下对氮化镓器件的有效保护，完美展现了氮化镓在先进应用中高效率低损耗的核心价值，让工程师放心无忧采用氮化镓。

　　在实际应用中，BTP PFC采用两颗NSi6602，分别驱动两颗氮化镓快管和两颗Si MOSFET慢管。在LLC部分，如果是半桥LLC，采用一颗NSi6602，如果是全桥LLC，采用两颗NSi6602。

　　针对不用的应用要求，NSi6602提供了不同隔离电压等级和封装类型的系列产品，具体参考下表。

　　NSi6602隔离驱动器产品选型表

　　PART 03

　　丰富的应用案例

　　01

　　便携式储能用GaN双向逆变器

　　- AC侧支持全球电压范围，包括中欧规和美日规

　　- DC侧典型电压为48V，可定制

　　- 功率为2kW，支持各种过载工作

　　- BTP PFC采用两颗G1N65R035TB-N (35m?/650V, TO-247-3L)氮化镓和两颗NSi6602B-PSDNR，工作频率为65kHz

　　- 全桥LLC采用四颗G1N65R070TA-H (70m?/650V, TO-220)氮化镓和两颗NSI6602B-PSDNR，谐振频率为120kHz

　　- 支持多机并联，提升输出功率

　　- 峰值效率96% @ 220Vac

　　02

　　2.5kW高效率高功率密度全数字控制导冷服务器电源

　　- AC输入电压：90Vac~264Vac，低压降额

　　- DC输出：12.2V/205A，Vsb/2.5A

　　- 输出功率为2.5kW，支持多机并联

　　- BTP PFC采用两颗G1N65R035TB-N (35m?/650V, TO-247-3L)氮化镓和两颗NSi6602B-PSDNR，工作频率为65kHz

　　- 半桥LLC采用一颗NSi6602B-PSDNR，谐振频率为125kHz

　　- 峰值效率96.2%，满足80+钛金效率认证

　　03

　　3.6kW高效率算力电源

　　- AC输入电压：180Vac~300Vac

　　- DC输出电压：11.5V-15.5V/240A, 3.6kW

　　- BTP PFC采用两颗G1N65R035TB-N (35m?/650V, TO-247-3L)氮化镓和两颗NSI6602B-PSDNR，工作频率为65kHz

　　- LLC采用两颗NSi6602B-PSDNR，谐振频率为100kHz

　　- 满载效率96.2% @ 220Vac

　　04

　　大功率高效率LED驱动电源

　　- AC输入电压：90Vac~264Vac

　　- DC输出电压：56V/12.5A, 700W

　　- BTP PFC采用两颗G1N65R050TB-N (50m?/650V, TO-247-3L)氮化镓和两颗NSI6602B-PSDNR，工作频率为55kHz

　　- LLC采用两颗G1N65R150TA-N (150m?/650V, TO-220)氮化镓和一颗NSi6602B-PSDNR，谐振频率为70kHz

　　- 满载效率96.5% @ 230Vac