為什么選擇GaN晶體管？MASTERGAN1告訴你答案

ST發(fā)布了市場首個也是唯一的單封裝集成600 V柵極驅(qū)動器和兩個加強(qiáng)版氮化鎵（GaN）晶體管的 MASTERGAN1 。同類競品只提供一顆GaN晶體管，而ST決定增加一顆GaN，實(shí)現(xiàn)半橋配置，并允許將MASTERGAN1用于新拓?fù)?。在設(shè)計(jì)AC-DC變換系統(tǒng)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的高能效和高端拓?fù)?，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(shè)計(jì)問題。

新器件具有高度象征意義，因?yàn)樗孏aN晶體管在大眾化的產(chǎn)品中普及變得更容易。電信設(shè)備或數(shù)據(jù)中心的電源是最早使用這些功率器件的工業(yè)應(yīng)用?，F(xiàn)在有了MASTERGAN1，工程師可以設(shè)計(jì)能效更高的手機(jī)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(jī)電源中采用GaN？

許多消費(fèi)者沒有意識到一個現(xiàn)象，近年來，智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦的充電器的輸出功率呈指數(shù)增長。廠商面臨一個難題，電池容量基本保持不變，或多或少與材料設(shè)計(jì)沒有取得實(shí)質(zhì)突破有關(guān)，在無法擴(kuò)大電池容量的情況下，移動設(shè)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(nèi)充電50％成為可能，這是因?yàn)楝F(xiàn)在充電器在某些情況下能夠輸出高達(dá)100 W的功率。但是，為了使充電器整體尺寸接近當(dāng)前常規(guī)尺寸，系統(tǒng)需要高開關(guān)頻率。

目前帶GaN晶體管的充電器并不是到處都能買到，因?yàn)樵O(shè)計(jì)這類產(chǎn)品還是一個巨大的挑戰(zhàn)。以一家中等規(guī)模或大型企業(yè)的一名普通工程師為例，首先他會遇到一個簡單的文化挑戰(zhàn)，即如何說服經(jīng)理和高管使用GaN設(shè)計(jì)產(chǎn)品，而這通常不是一個容易的過程。因此，幫助決策者了解這項(xiàng)技術(shù)是必不可少的。在這名工程師的項(xiàng)目方案獲準(zhǔn)后，設(shè)計(jì)GaN產(chǎn)品PCB板也絕非易事，雖然開發(fā)一塊普通的PCB通常不難。此外，部署適當(dāng)?shù)陌踩Ｗo(hù)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題，并使GaN技術(shù)普及到更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

MASTERGAN1: 認(rèn)識GaN

GaN的電特性

EVALMASTERGAN1

當(dāng)市場開始要求小尺寸產(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年代開始用GaN制造LED，從2000年開始在藍(lán)光激光頭中使用GaN。今天，設(shè)計(jì)者能夠在硅晶片上添加GaN薄層，制造出具有獨(dú)一無二特性的晶體管。GaN的帶隙為3.39 eV，遠(yuǎn)高于硅（1.1 eV）和碳化硅（2.86 eV），因此，臨界場強(qiáng)也比后者高出許多，這意味著在高頻開關(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(jié)構(gòu)。鎵本身是一個導(dǎo)電性非常差的導(dǎo)體。但是，當(dāng)?shù)哟騺y鎵晶格時(shí)，結(jié)構(gòu)電子遷移率大幅提高(1,700 cm2/Vs)，因此，電子的運(yùn)動速率更高，而能量損耗更低。因此，當(dāng)開關(guān)頻率高于200 kHz時(shí)，使用GaN的應(yīng)用的能效更高。GaN可以使系統(tǒng)更小巧，更經(jīng)濟(jì)劃算。

EVALMASTERGAN：眼見為實(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(dú)行。用 EVALMASTERGAN1 板展示GaN和MASTERGAN1的功能簡單很多。演示一個實(shí)物平臺會使項(xiàng)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，添加一個低邊分壓電阻或一個外部自舉二極管，使其更接近最終設(shè)計(jì)。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，幫助開發(fā)人員及早測試應(yīng)用設(shè)計(jì)。

MASTERGAN1: 用GaN設(shè)計(jì)

降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度

MASTERGAN1

從概念驗(yàn)證到定制設(shè)計(jì)可能會充滿挑戰(zhàn)。評估板的原理圖是一個很好的起點(diǎn)，但是，高頻開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)難度很大。如果PCB上走線太長，會引發(fā)寄生電感的問題。對于半橋電源變換器，集成兩個GaN晶體管很重要，而大多數(shù)競品僅提供一個GaN晶體管。MASTERGAN1之所以獨(dú)一無二，是因?yàn)樗钱?dāng)今唯一集成兩個GaN晶體管的電源解決方案。因此，工程師不必處理與這類應(yīng)用相關(guān)的復(fù)雜的驅(qū)動問題。同樣，特殊的GaN技術(shù)和優(yōu)化的柵極驅(qū)動器使系統(tǒng)不需要負(fù)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(xiàn)有和即將推出的各種控制器配合使用。

工程師還必須著手解決尺寸限制這一重要問題。手機(jī)充電器必須保持小巧的設(shè)計(jì)。因此，MASTERGAN1封裝的尺寸僅為9 mm x 9 mm，這是一個很大的優(yōu)勢。此外，該系列今后幾個月還計(jì)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開發(fā)新設(shè)計(jì)將會更加簡單。最后，能夠更快地設(shè)計(jì)出更小的PCB可以節(jié)省大量成本。隨著制造商力爭開發(fā)更經(jīng)濟(jì)的解決方案，MASTERGAN1有助于使設(shè)計(jì)變得更經(jīng)濟(jì)劃算，這也是為什么我們已經(jīng)贏得客戶訂單的原因。

提高可靠性

設(shè)計(jì)可靠性是工程師面臨的另一個重大挑戰(zhàn)。一個爆炸的充電器會成為社交媒體的眾矢之的?？煽啃圆桓叩南到y(tǒng)會對客戶服務(wù)運(yùn)營造成重大壓力。但是，部署安全功能遠(yuǎn)不是那么簡單。在采用GaN半橋拓?fù)鋾r(shí)，必須避免兩個開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)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(dǎo)通和關(guān)斷柵極電流。這些功能可以實(shí)現(xiàn)精確、高效的開關(guān)操作。最后，我們?yōu)榧訌?qiáng)版GaN FET管設(shè)計(jì)了MASTERGAN1柵極驅(qū)動器，從而提高了系統(tǒng)性能和可靠性。

針對GaN FET優(yōu)化的欠壓鎖定（UVLO）保護(hù)可防止在低電源電壓下工作時(shí)能效嚴(yán)重降低和潛在問題。同樣，集成的熱關(guān)斷功能可防止器件過熱。柵極驅(qū)動器的電平轉(zhuǎn)換器和高效輸入緩沖功能給GaN柵極驅(qū)動器帶來非常好的魯棒性和抗噪性。最后，關(guān)閉引腳允許通過MCU的專用引腳將功率開關(guān)設(shè)為空閑模式。