分享一種MasterGaN所采用的集成驅(qū)動方案

文章重點：

1.提高充電器的效率和功率密度是大勢所趨

2.ST-ONE所采用的ACF拓撲有助于提高效率和功率密度，是快充產(chǎn)品的最佳選擇

3.MasterGaN為代表的氮化鎵技術(shù)推動功率轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了飛躍，必將引領(lǐng)新的潮流。

ST市場獨有的MasterGaN平臺將我們的高壓智能功率BCD工藝與氮化鎵技術(shù)相結(jié)合，是世界上第一款在QFN9x9的封裝內(nèi)帶有兩個氮化鎵高電子遷移率晶體管和半橋柵極驅(qū)動器的功率器件；豐富的保護功能保證芯片的可靠性。同時設(shè)計人員不必再關(guān)心氮化鎵驅(qū)動的復(fù)雜性，就能享受氮化鎵技術(shù)的好處，增強應(yīng)用的可靠性性，加快了高功率密度及高效率電源產(chǎn)品的開發(fā)。

這些年，以碳化硅，氮化鎵為首的第三代半導(dǎo)體被大家廣泛的討論并應(yīng)用在新的產(chǎn)品中，大有取代傳統(tǒng)硅基晶體管的趨勢。相較于傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體，氮化鎵具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等特點，適合應(yīng)用于高溫，高頻，抗輻射的場合。氮化鎵晶體管對比硅晶體管，具有更低的結(jié)電容，柵極電荷，意味著開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗更小，更低的反向恢復(fù)電荷使得氮化鎵更適合用于高頻的場合。但同時，由于氮化鎵的柵極電壓閾值范圍更小，所以對驅(qū)動電路和PCB布局的要求更高。而且，由于氮化鎵晶體管的反向?qū)▔航当裙韫艿捏w二極管更高，所以需要更好的控制死區(qū)時間來提高效率。

目前市場上的氮化鎵器件普遍有兩種方案，一種是分立方案，類似傳統(tǒng)的硅MOS；另一種就是MasterGaN所采用的集成驅(qū)動的方案。那么，為什么要采用集成驅(qū)動的方案呢？由于目前市場上主流的E-MODE氮化鎵晶體管的柵極開通門檻電壓Vgsth比較低，通常為1.2V左右，這樣在關(guān)斷時很容易因為高的dV/dt和驅(qū)動回路里的雜散電感造成柵極振鈴并導(dǎo)致管子誤開通，在半橋結(jié)構(gòu)的拓撲里，這是會造成嚴重失效的故障。而集成驅(qū)動的方案由于其極低的雜散電感，可以很好的解決這個問題。同時，電源回路里的雜散電感降低，還可以降低Vds電壓峰值，減小開關(guān)損耗，改善EMI性能。

總而言之，氮化鎵與驅(qū)動集成的方案，

1.由于優(yōu)化了柵極驅(qū)動布局，效率很高，

2.由于寄生效應(yīng)最小，可增加開關(guān)頻率，提高了功率密度

3.采用緊湊的單芯片解決方案，簡化了設(shè)計。

【圖為：集成GaN晶體管和驅(qū)動器的優(yōu)勢】

氮化鎵技術(shù)使工業(yè)應(yīng)用的電源能夠處理更多的功率，即使它們變得更小、更輕、更節(jié)能。同時為智能手機快充和無線充電器、PC和筆記本電腦用USB-PD適配器帶來重大改變。今天的數(shù)據(jù)中心占世界能源使用量的2%。MasterGaN平臺使電源更高效，功率密度更高，大大降低了擁有成本，節(jié)約了地球資源。

MASTERGAN平臺首發(fā)的五款產(chǎn)品現(xiàn)已全部實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。如下圖所示：它們分別是上下管非對稱半橋結(jié)構(gòu)的MASTERGAN2和3，非常適合用于有源鉗位反激拓撲。上下管為對稱半橋結(jié)構(gòu)的MasterGaN1/4/5，Rdson從150毫歐至450毫歐不等，最大可支持400W應(yīng)用，通常用于LLC和ACF拓撲。全部的五款產(chǎn)品都是pin to pin的，可以輕松相互替換。

【圖為：MASTERGAN平臺首發(fā)的五款產(chǎn)品】

下面簡要介紹一下應(yīng)用ST-ONE和MasterGaN2的65W USB-PD快充電源解決方案。

上圖左上角就是應(yīng)用ST-ONE+MasterGaN方案，它使用了平面變壓器的65W PD電源demo板。關(guān)鍵器件包括主控制器ST-ONE，原邊開關(guān)管MasterGaN2,和副邊100V的同步整流管STL90N10F7。該電源支持90-264V的全電壓輸入，5-20V輸出，最大輸出功率65W，滿足歐盟和美國最新的能效要求。借助ST-ONE和MasterGaN2兩顆高集成度的芯片，實現(xiàn)了大于30W/inch3的功率密度，并且空間布局非常寬松。

Demo板的主電路部分如上圖所示，整個電路包括PCB布局非常簡潔，一目了然。可以看到整個電源內(nèi)部空間非常富余，功率密度還有進一步提升的空間。

MasterGaN2是一顆耐壓650V，下管導(dǎo)通阻抗150mohm，上管導(dǎo)通阻抗225mohm的氮化鎵芯片。并且內(nèi)部集成了豐富的保護，包括上下管的互鎖功能，這在半橋架構(gòu)中非常有用，可以有效避免上下管直通造成的失效。同時3.3-15V的PWM輸入擴展范圍，可輕松支持數(shù)字控制方案。ST-ONE同樣也是支持多工作模式的，根據(jù)不同的輸入和負載條件，ACF拓撲會工作在不同模式。從滿載到輕載分別工作在正常模式，跳谷底模式，以及間歇工作模式，這樣的工作模式有助于提高輕載效率。

ST-ONE+ MasterGaN是適用于高功率密度USB-PD充電器的最佳解決方案，可以將充電器的尺寸減少4倍，相當(dāng)于減少200萬噸的物料浪費。同時效率高達94%，節(jié)省的能源相當(dāng)于三座核電站的年發(fā)電量。

【圖為：更多采用MasterGaN的電源解決方案供各位參考，具體產(chǎn)品資料和評估板可在意法半導(dǎo)體官網(wǎng)獲取】