使用MASTERGAN1氮化鎵進(jìn)行設(shè)計降低設(shè)計復(fù)雜性

我們推出的MASTERGAN1，這是第一個也是唯一一個包含一個柵極驅(qū)動器和兩個增強(qiáng)模式氮化鎵 （GaN） 晶體管的 600 V 單封裝。類似的競爭器件僅提供一種 GaN。然而，ST 決定將其加倍以啟用半橋配置并允許 MASTERGAN1 采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，工程師可以在設(shè)計 AC-DC 系統(tǒng)時在 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中使用它。該器件還適用于其他常見的高效和高端拓?fù)洌缬性淬Q位反激式或正激式。它還解決了更高的額定功率和圖騰柱 PFC。

新器件具有高度的象征意義，因為它可以更輕松地在更常見的產(chǎn)品中使用 GaN 晶體管。當(dāng)業(yè)界第一次使用這些電源設(shè)備時，它是在電信設(shè)備或數(shù)據(jù)中心的電源中。多虧了 MASTERGAN1，工程師們現(xiàn)在可以為超快速智能手機(jī)充電器和 USB-PD 適配器等提供更高效的電源。

為什么在智能手機(jī)電源中使用氮化鎵？

許多消費(fèi)者對此視而不見，但智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦充電器的電量近年來呈指數(shù)級增長。制造商面臨一個難題。電池容量基本保持不變，部分原因是材料設(shè)計缺乏突破。因此，移動設(shè)備沒有提供更大的電池，而是簡單地充電更快。借助USB 供電 （USB-PD）和快速充電技術(shù)，可以在不到十分鐘的時間內(nèi)達(dá)到 50%。這僅是可能的，因為充電器現(xiàn)在在某些情況下能夠輸出高達(dá) 100 W 的功率。然而，為了使整體尺寸接近我們今天的尺寸，系統(tǒng)需要高開關(guān)頻率。

如果使用 GaN 晶體管的充電器還沒有出現(xiàn)在每個角落，那是因為設(shè)計它們是一項重大挑戰(zhàn)。以中型甚至大型公司的普通工程師為例。那個人首先會遇到一個簡單的文化挑戰(zhàn)。說服經(jīng)理和高管并不總是那么容易。盡管如此，幫助決策者理解這項技術(shù)是必不可少的。一旦工程師的項目獲得所有必要的批準(zhǔn)，設(shè)計 PCB 就絕非易事。創(chuàng)建一個不起眼的 PCB 很容易。此外，實(shí)施適當(dāng)?shù)陌踩胧┲陵P(guān)重要。MASTERGAN1 的意義在于它能夠解決所有這些問題并在更多應(yīng)用中推廣 GaN。

MASTERGAN1：了解氮化鎵

氮化鎵電性能

氮化鎵因其固有的特性而在小型設(shè)備中需要高功率時大放異彩。材料本身并不是什么新鮮事。我們從 90 年代開始在 LED 中使用它，從 2000 年代開始將其用作藍(lán)光閱讀器中的藍(lán)色激光器。然而，創(chuàng)始人現(xiàn)在能夠在硅晶片上生長一層薄薄的 GaN 來制造具有獨(dú)特特性的晶體管。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，它的臨界電場也更高，這意味著它在高頻下提供了更高的效率。

這些特性根源的高帶隙來自GaN的分子結(jié)構(gòu)。鎵本身是一種非常差的電導(dǎo)體。然而，當(dāng)?shù)悠茐逆壘Ц駮r，它會顯著增加結(jié)構(gòu)的電子遷移率（1，700 cm 2 /Vs）。因此，電子可以以更快的速度移動而損失更少。因此，要求開關(guān)頻率高于 200 kHz 的應(yīng)用使用 GaN 效率更高。它可以實(shí)現(xiàn)更小、更具成本效益的系統(tǒng)。

看到 EVALMASTERGAN1 是相信的

盡管掌握了所有這些理論知識，但可能仍然難以說服決策者。畢竟，GaN晶體管并不新鮮，但它們在大批量產(chǎn)品的電源中的使用仍然是一個新事物。借助 EVALMASTERGAN1板，展示 GaN 和 MASTERGAN1 的功能變得更加簡單明了。展示一個物理平臺使其成為現(xiàn)實(shí)，以及電源中的單個封裝會是什么樣子。甚至可以自定義電路板。可以添加一個低側(cè)分流器或一個外部自舉二極管等，以更好地模擬最終設(shè)計。展示其對各種電源電壓的支持也變得更加容易。此外，可以訪問 MASTERGAN1 的所有引腳，以幫助開發(fā)人員及早測試他們的應(yīng)用程序。

MASTERGAN1：使用氮化鎵進(jìn)行設(shè)計

降低設(shè)計復(fù)雜性

從概念驗證到定制設(shè)計可能具有挑戰(zhàn)性。評估板的原理圖是一個很好的起點(diǎn)，但高頻應(yīng)用很棘手。如果 PCB 上的走線太長，感應(yīng)寄生可能會導(dǎo)致問題。為半橋轉(zhuǎn)換器包括兩個 GaN 晶體管也很重要，但大多數(shù)競爭器件只提供一個。MASTERGAN1 因此是一款獨(dú)特的產(chǎn)品，因為它是當(dāng)今唯一集成了兩個 GaN 晶體管的單芯片。 因此，工程師不必處理與這些類型的應(yīng)用程序相關(guān)的復(fù)雜性。同樣，柵極驅(qū)動器的特殊 GaN 技術(shù)和優(yōu)化意味著系統(tǒng)不需要負(fù)電壓電源。MASTERGAN1 還具有與 20 V 信號兼容的輸入引腳。因此，工程師可以將它與各種現(xiàn)有和即將推出的控制器一起使用。

工程師還必須處理關(guān)鍵的尺寸限制。智能手機(jī)充電器必須保持小。因此，MASTERGAN1 封裝尺寸僅為 9 mm x 9 mm，這一事實(shí)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。此外，隨著我??們在未來幾個月內(nèi)使用新設(shè)備擴(kuò)展這個新系列，我們將保持它們的引腳對引腳兼容。因此，使用 MASTERGAN 家族的另一個成員會更直接?；谑褂?MASTERGAN1 的 PCB 創(chuàng)建新設(shè)計會更簡單。最后，能夠更快地設(shè)計出更小的 PCB 意味著可以節(jié)省大量成本。隨著制造商努力打造更實(shí)惠的解決方案，MASTERGAN1 有助于使設(shè)計更實(shí)惠。它還解釋了為什么我們已經(jīng)贏得了設(shè)計勝利。

提高魯棒性

工程師面臨的另一個主要挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建穩(wěn)健的設(shè)計。爆炸式充電器最終成為整個社交媒體。不可靠的系統(tǒng)對客戶服務(wù)運(yùn)營構(gòu)成重大壓力。但實(shí)施安全功能遠(yuǎn)非易事。在處理 GaN 半橋拓?fù)鋾r，必須避免同時開啟兩者。因此，MASTERGAN1 集成了互鎖功能、匹配的傳播延遲以及不同的開啟和關(guān)閉柵極電流。此類功能可實(shí)現(xiàn)干凈高效的切換。最后，我們?yōu)?e-MODE GaN FET 設(shè)計了 ??MASTERGAN1 的柵極驅(qū)動器，從而提高了性能和耐用性。

針對 GaN FET 優(yōu)化的欠壓鎖定 （UVLO） 保護(hù)可防止效率大幅降低和潛在問題。此類問題可能來自在低電源電壓下運(yùn)行。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)換器和有效的輸入緩沖使 GaN 的柵極驅(qū)動非常穩(wěn)健且抗噪聲。最后，關(guān)閉引腳允許來自 MCU 的專用線路將設(shè)備設(shè)置為空閑模式。

審核編輯：郭婷