【導讀】ST發(fā)布了市場(chǎng)首個(gè)也是唯一的單封裝集成600 V柵極驅動(dòng)器和兩個(gè)加強版氮化鎵（GaN）晶體管的MASTERGAN1。同類(lèi)競品只提供一顆GaN晶體管，而ST決定增加一顆GaN，實(shí)現半橋配置，并允許將MASTERGAN1用于新拓撲。在設計AC-DC變換系統時(shí)，工程師可以將其用于LLC諧振變換器。新器件還將適用于其它常見(jiàn)的高能效和高端拓撲，例如，有源鉗位反激或正激變換器，還解決了更高額定功率和圖騰柱PFC的設計問(wèn)題。
新器件具有高度象征意義，因為它讓GaN晶體管在大眾化的產(chǎn)品中普及變得更容易。電信設備或數據中心的電源是最早使用這些功率器件的工業(yè)應用?，F在有了MASTERGAN1，工程師可以設計能效更高的手機超級快充充電器、USB-PD適配器和其它電源產(chǎn)品。
為什么要在手機電源中采用GaN？
許多消費者沒(méi)有意識到一個(gè)現象，近年來(lái)，智能手機、平板電腦或筆記本電腦的充電器的輸出功率呈指數增長(cháng)。廠(chǎng)商面臨一個(gè)難題，電池容量基本保持不變，或多或少與材料設計沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)突破有關(guān)，在無(wú)法擴大電池容量的情況下，移動(dòng)設備只能提高充電速度。借助USB Power Delivery (USB-PD)和快充技術(shù)，讓十分鐘內充電50％成為可能，這是因為現在充電器在某些情況下能夠輸出高達100 W的功率。但是，為了使充電器整體尺寸接近當前常規尺寸，系統需要高開(kāi)關(guān)頻率。
目前帶GaN晶體管的充電器并不是到處都能買(mǎi)到，因為設計這類(lèi)產(chǎn)品還是一個(gè)巨大的挑戰。以一家中等規?；虼笮推髽I(yè)的一名普通工程師為例，首先他會(huì )遇到一個(gè)簡(jiǎn)單的文化挑戰，即如何說(shuō)服經(jīng)理和高管使用GaN設計產(chǎn)品，而這通常不是一個(gè)容易的過(guò)程。因此，幫助決策者了解這項技術(shù)是必不可少的。在這名工程師的項目方案獲準后，設計GaN產(chǎn)品PCB板也絕非易事，雖然開(kāi)發(fā)一塊普通的PCB通常不難。此外，部署適當的安全保護措施也非常重要。MASTERGAN1的重大意義在于其能夠解決所有這些問(wèn)題，并使GaN技術(shù)普及到更多的應用領(lǐng)域。
MASTERGAN1: 認識GaN
GaN的電特性
EVALMASTERGAN1
當市場(chǎng)開(kāi)始要求小尺寸產(chǎn)品能夠處理大功率時(shí)，GaN因其固有特性而大放異彩。GaN材料本身并不新鮮。我們從90年代開(kāi)始用GaN制造LED，從2000年開(kāi)始在藍光激光頭中使用GaN。今天，設計者能夠在硅晶片上添加GaN薄層，制造出具有獨一無(wú)二特性的晶體管。GaN的帶隙為3.39 eV，遠高于硅（1.1 eV）和碳化硅（2.86 eV），因此，臨界場(chǎng)強也比后者高出許多，這意味著(zhù)在高頻開(kāi)關(guān)時(shí)GaN的能效更高。
高帶隙是支撐這些特性的根基，高帶隙的根源是GaN的分子結構。鎵本身是一個(gè)導電性非常差的導體。但是，當氮原子打亂鎵晶格時(shí)，結構電子遷移率大幅提高(1,700 cm2/Vs)，因此，電子的運動(dòng)速率更高，而能量損耗更低。因此，當開(kāi)關(guān)頻率高于200 kHz時(shí)，使用GaN的應用的能效更高。GaN可以使系統更小巧，更經(jīng)濟劃算。
EVALMASTERGAN：眼見(jiàn)為實(shí)
盡管工程師掌握了所有這些理論知識，仍可能很難說(shuō)服決策者。雖然GaN晶體管并不是什么新鮮事物，但在量產(chǎn)電源中使用它仍然是特立獨行。用EVALMASTERGAN1板展示GaN和MASTERGAN1的功能簡(jiǎn)單很多。演示一個(gè)實(shí)物平臺會(huì )使項目方案變得更切實(shí)可行，并能看到單封裝放在電源中是什么樣子，甚至還可以按照自己的需求靈活修改板子，添加一個(gè)低邊分壓電阻或一個(gè)外部自舉二極管，使其更接近最終設計。演示支持各種電源電壓也變得更加容易。此外，還可以使用MASTERGAN1的所有引腳，幫助開(kāi)發(fā)人員及早測試應用設計。
MASTERGAN1: 用GaN設計
降低設計復雜度
MASTERGAN1
從概念驗證到定制設計可能會(huì )充滿(mǎn)挑戰。評估板的原理圖是一個(gè)很好的起點(diǎn)，但是，高頻開(kāi)關(guān)應用設計難度很大。如果PCB上走線(xiàn)太長(cháng)，會(huì )引發(fā)寄生電感的問(wèn)題。對于半橋電源變換器，集成兩個(gè)GaN晶體管很重要，而大多數競品僅提供一個(gè)GaN晶體管。MASTERGAN1之所以獨一無(wú)二，是因為它是當今唯一集成兩個(gè)GaN晶體管的電源解決方案。因此，工程師不必處理與這類(lèi)應用相關(guān)的復雜的驅動(dòng)問(wèn)題。同樣，特殊的GaN技術(shù)和優(yōu)化的柵極驅動(dòng)器使系統不需要負電壓電源。MASTERGAN1還具有兼容20 V信號的輸入引腳。因此，工程師可以將其與現有和即將推出的各種控制器配合使用。
工程師還必須著(zhù)手解決尺寸限制這一重要問(wèn)題。手機充電器必須保持小巧的設計。因此，MASTERGAN1封裝的尺寸僅為9 mm x 9 mm，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢。此外，該系列今后幾個(gè)月還計劃推出引腳兼容的新產(chǎn)品。因此，更換MASTERGAN家族產(chǎn)品將更加容易，使用基于MASTERGAN1的PCB開(kāi)發(fā)新設計將會(huì )更加簡(jiǎn)單。最后，能夠更快地設計出更小的PCB可以節省大量成本。隨著(zhù)制造商力爭開(kāi)發(fā)更經(jīng)濟的解決方案，MASTERGAN1有助于使設計變得更經(jīng)濟劃算，這也是為什么我們已經(jīng)贏(yíng)得客戶(hù)訂單的原因。
提高可靠性
設計可靠性是工程師面臨的另一個(gè)重大挑戰。一個(gè)爆炸的充電器會(huì )成為社交媒體的眾矢之的?？煽啃圆桓叩南到y會(huì )對客戶(hù)服務(wù)運營(yíng)造成重大壓力。但是，部署安全功能遠不是那么簡(jiǎn)單。在采用GaN半橋拓撲時(shí)，必須避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導通。因此，MASTERGAN1集成了互鎖功能和精確匹配的傳輸延遲，以及差分導通和關(guān)斷柵極電流。這些功能可以實(shí)現精確、高效的開(kāi)關(guān)操作。最后，我們?yōu)榧訌姲鍳aN FET管設計了MASTERGAN1柵極驅動(dòng)器，從而提高了系統性能和可靠性。
針對GaN FET優(yōu)化的欠壓鎖定（UVLO）保護可防止在低電源電壓下工作時(shí)能效嚴重降低和潛在問(wèn)題。同樣，集成的熱關(guān)斷功能可防止器件過(guò)熱。柵極驅動(dòng)器的電平轉換器和高效輸入緩沖功能給GaN柵極驅動(dòng)器帶來(lái)非常好的魯棒性和抗噪性。最后，關(guān)閉引腳允許通過(guò)MCU的專(zhuān)用引腳將功率開(kāi)關(guān)設為空閑模式。
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