通過硅和GaN實現(xiàn)高性能電源設計

STMicroelectronics 的 MasterGaN 是一個集成了基于硅技術的半橋驅(qū)動器的平臺，剛剛通過添加一對氮化鎵功率晶體管進行了進一步優(yōu)化。ST 在接受 Power Electronics News 采訪時強調(diào)了這一新平臺如何使系統(tǒng)體積更小、重量更輕，充電時間提高 3 倍，但最重要的是，它通過優(yōu)化上市時間來簡化設計。

MasterGaN 將硅與 GaN 相結合，以加速創(chuàng)建下一代緊湊型高效電池充電器和電源適配器，適用于高達 400 W 的消費和工業(yè)應用。通過使用 GaN 技術，新設備可以處理更多功率，同時優(yōu)化其效率。ST 強調(diào)了將 GaN 與驅(qū)動器集成如何簡化設計并提供更高水平的性能。

氮化鎵市場

GaN 晶體管是當今存在的“最冷”組件之一。其低結電阻允許低溫和低能量損耗，即使在高溫和極端條件下也是如此。這是這種材料廣泛用于許多關鍵領域的主要原因之一，在這些領域，對大電流的需求是主要的特權。

當前的 GaN 市場通常由分立的功率晶體管和驅(qū)動 IC 提供服務，這需要設計人員學習新的實施技術以實現(xiàn)最佳性能。ST 的 MasterGaN 方法旨在加快產(chǎn)品上市時間，同時在更小的占位面積內(nèi)保持高效性能、簡化組裝并以更少的組件提高可靠性。ST表示，GaN技術以及ST的集成產(chǎn)品、充電器和適配器的優(yōu)勢可以將標準Si基解決方案的尺寸縮小80%，重量減輕70%。

在功率 GaN 晶體管中，有兩個元件參數(shù)對溫度起著重要作用：R DS（on） 與相關的工作損耗和跨導與相關的開關損耗。保持低溫的原因有很多：

防止在最惡劣的操作條件下發(fā)生熱失控

總體上減少損失

提高系統(tǒng)性能和效率

提高系統(tǒng)功率密度

提高電路的可靠性

意法半導體解決方案

ST 的平臺 MASTERGAN1 包含兩個集成了高側和低側硅驅(qū)動器的半橋 GaN 功率晶體管。該平臺使用 600V 半橋柵極驅(qū)動器和常關高電子遷移率晶體管 （HEMT）。

高電子遷移率使 GaN 晶體管的開關時間約為 Si MOSFET 的四分之一。此外，對于給定的操作模式，開關損耗約為硅晶體管的 10% 到 30%。因此，GaN HEMT 可以在比 Si MOSFET 和 IGBT 高得多的頻率下驅(qū)動。GaN HEMT 需要添加芯片供應商已集成到其設備中的極化網(wǎng)絡才能正常運行。

與基于硅的傳統(tǒng)解決方案相比，在功率轉(zhuǎn)換器等應用中使用 GaN 可實現(xiàn)顯著改進：更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本。

MasterGaN 中的內(nèi)置功率 GaN 具有 150 mΩ 的 R DS（ON）和 650-V 的漏源擊穿電壓，而內(nèi)置柵極驅(qū)動器的高端可通過內(nèi)置自舉二極管輕松供電。

MasterGaN1的框圖

MASTERGAN1 配備了在低效率或危險條件下的故障保護，聯(lián)鎖功能可防止交叉?zhèn)鲗l件。邏輯輸入與 3.3 V 至 15 V 的信號兼容，從而提供與微控制器和各種傳感器的輕松接口。

這些器件將作為引腳兼容的半橋產(chǎn)品提供，允許工程師以最少的硬件更改擴展項目。利用 GaN 晶體管的低通電損耗和無體二極管恢復特性，這些產(chǎn)品在高端高效拓撲中提供了改進的整體性能，例如具有有源鉗位的反激或正激、諧振、PFC 圖騰柱無橋，以及其他用于 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的軟開關和硬開關拓撲。

EVALMASTERGAN1 板允許您評估 MASTERGAN1 的特性并快速創(chuàng)建新拓撲，而無需完整的 PCB 設計。該板提供了一個板載可編程死區(qū)時間發(fā)生器，帶有單個 VCC 電源（6 V 型）。一個集成的 3.3V 線性穩(wěn)壓器為微控制器或 FPGA 提供邏輯。該板提供定制機會，例如使用外部自舉二極管、為各種解決方案提供獨立電源，以及為峰值電流拓撲使用低側分流電阻器。

審核編輯：郭婷