2020年10月15日 | ST：GaN晶体管在未来大有作为

2020-10-15 来源：EEWORLD

ST发布了市场首个也是唯一的单封装集成600 V栅极驱动器和两个加强版氮化镓（GaN）晶体管的MASTERGAN1。同类竞品只提供一颗GaN晶体管，而ST决定增加一颗GaN，实现半桥配置，并允许将MASTERGAN1用于新拓扑。在设计AC-DC变换系统时，工程师可以将其用于LLC谐振变换器。新器件还将适用于其它常见的高能效和高端拓扑，例如，有源钳位反激或正激变换器，还解决了更高额定功率和图腾柱PFC的设计问题。

新器件具有高度象征意义，因为它让GaN晶体管在大众化的产品中普及变得更容易。电信设备或数据中心的电源是最早使用这些功率器件的工业应用。现在有了MASTERGAN1，工程师可以设计能效更高的手机超级快充充电器、USB-PD适配器和其它电源产品。

为什么要在手机电源中采用GaN？

许多消费者没有意识到一个现象，近年来，智能手机、平板电脑或笔记本电脑的充电器的输出功率呈指数增长。厂商面临一个难题，电池容量基本保持不变，或多或少与材料设计没有取得实质突破有关，在无法扩大电池容量的情况下，移动设备只能提高充电速度。借助USB Power Delivery (USB-PD)和快充技术，让十分钟内充电50％成为可能，这是因为现在充电器在某些情况下能够输出高达100 W的功率。但是，为了使充电器整体尺寸接近当前常规尺寸，系统需要高开关频率。

目前带GaN晶体管的充电器并不是到处都能买到，因为设计这类产品还是一个巨大的挑战。以一家中等规模或大型企业的一名普通工程师为例，首先他会遇到一个简单的文化挑战，即如何说服经理和高管使用GaN设计产品，而这通常不是一个容易的过程。因此，帮助决策者了解这项技术是必不可少的。在这名工程师的项目方案获准后，设计GaN产品PCB板也绝非易事，虽然开发一块普通的PCB通常不难。此外，部署适当的安全保护措施也非常重要。MASTERGAN1的重大意义在于其能够解决所有这些问题，并使GaN技术普及到更多的应用领域。

MASTERGAN1: 认识GaN

GaN的电特性

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EVALMASTERGAN1

当市场开始要求小尺寸产品能够处理大功率时，GaN因其固有特性而大放异彩。GaN材料本身并不新鲜。我们从90年代开始用GaN制造LED，从2000年开始在蓝光激光头中使用GaN。今天，设计者能够在硅晶片上添加GaN薄层，制造出具有独一无二特性的晶体管。GaN的带隙为3.39 eV，远高于硅（1.1 eV）和碳化硅（2.86 eV），因此，临界场强也比后者高出许多，这意味着在高频开关时GaN的能效更高。

高带隙是支撑这些特性的根基，高带隙的根源是GaN的分子结构。镓本身是一个导电性非常差的导体。但是，当氮原子打乱镓晶格时，结构电子迁移率大幅提高(1,700 cm2/Vs)，因此，电子的运动速率更高，而能量损耗更低。因此，当开关频率高于200 kHz时，使用GaN的应用的能效更高。GaN可以使系统更小巧，更经济划算。

EVALMASTERGAN：眼见为实

尽管工程师掌握了所有这些理论知识，仍可能很难说服决策者。虽然GaN晶体管并不是什么新鲜事物，但在量产电源中使用它仍然是特立独行。用EVALMASTERGAN1板展示GaN和MASTERGAN1的功能简单很多。演示一个实物平台会使项目方案变得更切实可行，并能看到单封装放在电源中是什么样子，甚至还可以按照自己的需求灵活修改板子，添加一个低边分压电阻或一个外部自举二极管，使其更接近最终设计。演示支持各种电源电压也变得更加容易。此外，还可以使用MASTERGAN1的所有引脚，帮助开发人员及早测试应用设计。

MASTERGAN1: 用GaN设计

降低设计复杂度

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MASTERGAN1

从概念验证到定制设计可能会充满挑战。评估板的原理图是一个很好的起点，但是，高频开关应用设计难度很大。如果PCB上走线太长，会引发寄生电感的问题。对于半桥电源变换器，集成两个GaN晶体管很重要，而大多数竞品仅提供一个GaN晶体管。MASTERGAN1之所以独一无二，是因为它是当今唯一集成两个GaN晶体管的电源解决方案。因此，工程师不必处理与这类应用相关的复杂的驱动问题。同样，特殊的GaN技术和优化的栅极驱动器使系统不需要负电压电源。MASTERGAN1还具有兼容20 V信号的输入引脚。因此，工程师可以将其与现有和即将推出的各种控制器配合使用。

工程师还必须着手解决尺寸限制这一重要问题。手机充电器必须保持小巧的设计。因此，MASTERGAN1封装的尺寸仅为9 mm x 9 mm，这是一个很大的优势。此外，该系列今后几个月还计划推出引脚兼容的新产品。因此，更换MASTERGAN家族产品将更加容易，使用基于MASTERGAN1的PCB开发新设计将会更加简单。最后，能够更快地设计出更小的PCB可以节省大量成本。随着制造商力争开发更经济的解决方案，MASTERGAN1有助于使设计变得更经济划算，这也是为什么我们已经赢得客户订单的原因。

提高可靠性

设计可靠性是工程师面临的另一个重大挑战。一个爆炸的充电器会成为社交媒体的众矢之的。可靠性不高的系统会对客户服务运营造成重大压力。但是，部署安全功能远不是那么简单。在采用GaN半桥拓扑时，必须避免两个开关管同时导通。因此，MASTERGAN1集成了互锁功能和精确匹配的传输延迟，以及差分导通和关断栅极电流。这些功能可以实现精确、高效的开关操作。最后，我们为加强版GaN FET管设计了MASTERGAN1栅极驱动器，从而提高了系统性能和可靠性。

针对GaN FET优化的欠压锁定（UVLO）保护可防止在低电源电压下工作时能效严重降低和潜在问题。同样，集成的热关断功能可防止器件过热。栅极驱动器的电平转换器和高效输入缓冲功能给GaN栅极驱动器带来非常好的鲁棒性和抗噪性。最后，关闭引脚允许通过MCU的专用引脚将功率开关设为空闲模式。

GaN 5G

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