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5月19日（周二）上午10:00，第十三期「集微公開課」邀請到納微半導體中國區應用中心高級總監徐迎春，帶來以《納微氮化鎵功率晶片集成及應用》為主題的精彩演講。
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近三十年來，電子電力設備均採用傳統矽器件設計，開關頻率低，功耗大，同時需要大量手工製作的無源元件，這種傳統設計導致的最終結果是，系統體積龐大、笨重、效率低、成本高。據統計，傳統電子設備每年能耗約占世界總發電量的近20%。
而在電能轉換過程中，更高的開關頻率可實現更小的體積和更低的成本，因而，開關速度更快、效率更高的氮化鎵器件或將全面替代傳統的矽器件，目前在中大功率市場和消費類市場應用廣泛。
作為全世界首家氮化鎵功率晶片廠商，氮化鎵快充晶片出貨以納微半導體（以下簡稱「納微」）為首。此次，納微以《納微氮化鎵功率晶片集成及應用》為演講主題，對氮化鎵的技術價值、熱門應用、對開關性能提升等多個角度進行了闡述。此次公開課在愛集微APP在線觀看人數破萬，乾貨滿滿!
氮化鎵的技術背景
在智慧型手機的發展歷程中，隨著手機螢幕、處理器、網絡、無線連接及數據存取模塊等性能提升，對手機能耗提出了新的要求，對手機的電池容量需求不斷增加，快充技術則應運而生。
在快充技術不斷升級的過程中，從其基礎材料來看，傳統的矽器件和氮化鎵器件的充電效率出現分化。與傳統的矽相比，氮化鎵的技術價值在於，能夠實現更高的開關頻率，從而減少很多無源器件的體積，實現更高功率密度和高效率。
在商用領域，小米公司發布的一款65W的GaN充電器，不僅充電效率高、體積小、便攜，而且可以同時給手機和筆記本電腦充電。此外，在將近一年的時間裡，Baseus聯合納微推出了多款中大功率充電器產品，且均已經量產，而量產則意味著整個產品的設計規範可靠性，EMI和可生產性也都得到充分驗證。
氮化鎵的優勢所在
據徐迎春介紹，氮化鎵當前的主要優勢，包括相同晶圓尺寸下的低Rdson；沒有反向恢復損耗；門極驅動電荷Qg低、驅動損耗低；寄生結電容COSS 小，容性損耗低；開關速度快等特性。
值得注意的是，氮化鎵器件在關斷的時候，也可以做反嚮導通。其中，對於 650V Navitas GaN, VSD 典型值為3.5V，且反嚮導通沒有 Qrr 損耗。
氮化鎵的集成IC簡介
談及功率氮化鎵的技術，首先需要了解的是氮化鎵物理材料的特性，其高壓、高頻、耐溫等層面，都遠遠優於矽的特性。材料做成氮化鎵器件後，在市場上可以分為兩類，主流是eMode FET，（增強型），還有一類是dMode FET（耗盡型）。
關於增強型和耗盡型這兩類氮化鎵器件的優缺點，主要從開關頻率、晶圓封裝及dV/dt控制等多個角度進行對比。
徐迎春表示，納微在全世界推出首款功率晶片，就是將門級驅動和邏輯電路進行專業的設計，並與氮化鎵晶片結合在一起，從而可以提供高達40MHz開關頻率，實現5倍以上功率密度，與矽驅動的GaN功率IC相比，因其結構簡單，系統成本可降低20％。
同時，徐迎春強調，從實際應用的電路來看，納微的多款GaN功率IC產品已經陸續在2018年第一季度量產，客戶端也從下半年開始進入應用。
此外，納微GaN功率IC的集成驅動特色，主要體現在以下幾個多個方面：
不僅如此，納微除了單晶片GaN功率IC，還推出了半橋式GaN功率IC系列產品，兩個GaN功率FET，兩個GaN驅動器，信號及供電自舉線路等，半橋 GaN功率IC基本上可以實現穩定、無過沖的信號輸出。
氮化鎵對開關電源性能的提升
氮化鎵對開關電源性能的提升，最關鍵的是，GaN可以大幅度降低開關過程的損耗。
徐迎春介紹，從同等的矽和氮化鎵來比較，開通過程中，開通損耗是矽的六分之一，關斷損耗則是二十分之一。這也就意味著，開關頻率的上升，實際上的開關損耗則極大地降低。但是，如果開關頻率非常高，開通損耗則不能忽略，還需要加一個軟開關。
與此同時，針對氮化鎵和矽在低頻、高頻等不同層面的特性對比，可以得出氮化鎵適合高頻軟開關應用的結論。
氮化鎵高頻開關電源設計的注意事項
關於氮化鎵高頻開關電源在設計中的挑戰，主要圍繞變壓器和EMI兩大部分來闡述。
對於高頻變壓器，首先線材選取，基於嚴重的趨附和臨近效應，200k以上線圈最好用0.05-0.08mm的利茲線；其次是磁芯耗損，主要影響因素包括電流波形、占空比、磁通直流偏置等，對磁芯耗損的影響均較大。
從當前的市場現狀來看，各家磁芯公司都推出了高頻磁芯。「我們希望建立一個更好的生態，不論利茲線還是磁芯，可以進行供應商資源的共享。」 徐迎春表示。
最後來探討氮化鎵高頻電源EMI的相關注意事項，主要是開關速度和頻率及振鈴對噪音源的影響。此外，高dv/dt, di/dt使空間耦合加重，從而對開關電源的設計要求更高。
為了解決上述問題，納微提出的EMI對策是，高頻使的差模轉折頻率升高，需要的差模電感反而可減小；共模主要靠變壓器共模電流對消技術。
舉例來看，從原邊開關波形Vds噪聲源可知，共模電流從原邊到副邊通過原副邊寄生電容耦合，原副邊繞組越貼近，耦合越好，寄生電容越大，產生的EMI就越嚴重。其中，共模電流對消運用到屏蔽和平衡原理，結合輔助繞組、屏蔽層等，其圈數和線寬取決於暫態電壓跳變的分布和絕緣層的厚度等系統參數，可以通過細調達到最優值。