【導讀】ST發布了市場首個也是唯一的單封裝集成600 V柵極驅動器和兩個加強版氮化鎵（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，實現半橋配置，并允許將MASTERGAN1用于新拓撲。在設計AC-DC變換系統時，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撲，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的設計問題。
新器件具有高度象征意義，因為它讓GaN晶體管在大眾化的產品中普及變得更容易。電信設備或數據中心的電源是最早使用這些功率器件的工業應用。現在有了MASTERGAN1，工程師可以設計能效更高的手機超級快充充電器、USB-PD適配器和其它電源產品。
為什么要在手機電源中采用GaN？
許多消費者沒有意識到一個現象，近年來，智能手機、平板電腦或筆記本電腦的充電器的輸出功率呈指數增長。廠商面臨一個難題，電池容量基本保持不變，或多或少與材料設計沒有取得實質突破有關，在無法擴大電池容量的情況下，移動設備只能提高充電速度。借助USB Power Delivery (USB-PD)和快充技術，讓十分鐘內充電50％成為可能，這是因為現在充電器在某些情況下能夠輸出高達100 W的功率。但是，為了使充電器整體尺寸接近當前常規尺寸，系統需要高開關頻率。
目前帶GaN晶體管的充電器并不是到處都能買到，因為設計這類產品還是一個巨大的挑戰。以一家中等規模或大型企業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，即如何說服經理和高管使用GaN設計產品，而這通常不是一個容易的過程。因此，幫助決策者了解這項技術是必不可少的。在這名工程師的項目方案獲準后，設計GaN產品PCB板也絕非易事，雖然開發一塊普通的PCB通常不難。此外，部署適當的安全保護措施也非常重要。MASTERGAN1的重大意義在于其能夠解決所有這些問題，并使GaN技術普及到更多的應用領域。
MASTERGAN1: 認識GaN
GaN的電特性
EVALMASTERGAN1
當市場開始要求小尺寸產品能夠處理大功率時，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年開始在藍光激光頭中使用GaN。今天，設計者能夠在硅晶片上添加GaN薄層，制造出具有獨一無二特性的晶體管。GaN的帶隙為3.39 eV，遠高于硅（1.1 eV）和碳化硅（2.86 eV），因此，臨界場強也比后者高出許多，這意味著在高頻開關時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的分子結構。鎵本身是一個導電性非常差的導體。但是，當氮原子打亂鎵晶格時，結構電子遷移率大幅提高(1,700 cm2/Vs)，因此，電子的運動速率更高，而能量損耗更低。因此，當開關頻率高于200 kHz時，使用GaN的應用的能效更高。GaN可以使系統更小巧，更經濟劃算。
EVALMASTERGAN：眼見為實
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，但在量產電源中使用它仍然是特立獨行。用EVALMASTERGAN1板展示GaN和MASTERGAN1的功能簡單很多。演示一個實物平臺會使項目方案變得更切實可行，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，使其更接近最終設計。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，幫助開發人員及早測試應用設計。
MASTERGAN1: 用GaN設計
降低設計復雜度
MASTERGAN1
從概念驗證到定制設計可能會充滿挑戰。評估板的原理圖是一個很好的起點，但是，高頻開關應用設計難度很大。如果PCB上走線太長，會引發寄生電感的問題。對于半橋電源變換器，集成兩個GaN晶體管很重要，而大多數競品僅提供一個GaN晶體管。MASTERGAN1之所以獨一無二，是因為它是當今唯一集成兩個GaN晶體管的電源解決方案。因此，工程師不必處理與這類應用相關的復雜的驅動問題。同樣，特殊的GaN技術和優化的柵極驅動器使系統不需要負電壓電源。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。手機充電器必須保持小巧的設計。因此，MASTERGAN1封裝的尺寸僅為9 mm x 9 mm，這是一個很大的優勢。此外，該系列今后幾個月還計劃推出引腳兼容的新產品。因此，更換MASTERGAN家族產品將更加容易，使用基于MASTERGAN1的PCB開發新設計將會更加簡單。最后，能夠更快地設計出更小的PCB可以節省大量成本。隨著制造商力爭開發更經濟的解決方案，MASTERGAN1有助于使設計變得更經濟劃算，這也是為什么我們已經贏得客戶訂單的原因。
提高可靠性
設計可靠性是工程師面臨的另一個重大挑戰。一個爆炸的充電器會成為社交媒體的眾矢之的。可靠性不高的系統會對客戶服務運營造成重大壓力。但是，部署安全功能遠不是那么簡單。在采用GaN半橋拓撲時，必須避免兩個開關管同時導通。因此，MASTERGAN1集成了互鎖功能和精確匹配的傳輸延遲，以及差分導通和關斷柵極電流。這些功能可以實現精確、高效的開關操作。最后，我們為加強版GaN FET管設計了MASTERGAN1柵極驅動器，從而提高了系統性能和可靠性。
針對GaN FET優化的欠壓鎖定（UVLO）保護可防止在低電源電壓下工作時能效嚴重降低和潛在問題。同樣，集成的熱關斷功能可防止器件過熱。柵極驅動器的電平轉換器和高效輸入緩沖功能給GaN柵極驅動器帶來非常好的魯棒性和抗噪性。最后，關閉引腳允許通過MCU的專用引腳將功率開關設為空閑模式。
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