通过硅和GaN实现高性能电源设计

STMicroelectronics 的 MasterGaN 是一个集成了基于硅技术的半桥驱动器的平台，刚刚通过添加一对氮化镓功率晶体管进行了进一步优化。ST 在接受 Power Electronics News 采访时强调了这一新平台如何使系统体积更小、重量更轻，充电时间提高 3 倍，但最重要的是，它通过优化上市时间来简化设计。

MasterGaN 将硅与 GaN 相结合，以加速创建下一代紧凑型高效电池充电器和电源适配器，适用于高达 400 W 的消费和工业应用。通过使用 GaN 技术，新设备可以处理更多功率，同时优化其效率。ST 强调了将 GaN 与驱动器集成如何简化设计并提供更高水平的性能。

氮化镓市场

GaN 晶体管是当今存在的“最冷”组件之一。其低结电阻允许低温和低能量损耗，即使在高温和极端条件下也是如此。这是这种材料广泛用于许多关键领域的主要原因之一，在这些领域，对大电流的需求是主要的特权。

当前的 GaN 市场通常由分立的功率晶体管和驱动 IC 提供服务，这需要设计人员学习新的实施技术以实现最佳性能。ST 的 MasterGaN 方法旨在加快产品上市时间，同时在更小的占位面积内保持高效性能、简化组装并以更少的组件提高可靠性。ST表示，GaN技术以及ST的集成产品、充电器和适配器的优势可以将标准Si基解决方案的尺寸缩小80%，重量减轻70%。

在功率 GaN 晶体管中，有两个元件参数对温度起着重要作用：R DS（on） 与相关的工作损耗和跨导与相关的开关损耗。保持低温的原因有很多：

防止在最恶劣的操作条件下发生热失控

总体上减少损失

提高系统性能和效率

提高系统功率密度

提高电路的可靠性

意法半导体解决方案

ST 的平台 MASTERGAN1 包含两个集成了高侧和低侧硅驱动器的半桥 GaN 功率晶体管。该平台使用 600V 半桥栅极驱动器和常关高电子迁移率晶体管 （HEMT）。

高电子迁移率使 GaN 晶体管的开关时间约为 Si MOSFET 的四分之一。此外，对于给定的操作模式，开关损耗约为硅晶体管的 10% 到 30%。因此，GaN HEMT 可以在比 Si MOSFET 和 IGBT 高得多的频率下驱动。GaN HEMT 需要添加芯片供应商已集成到其设备中的极化网络才能正常运行。

与基于硅的传统解决方案相比，在功率转换器等应用中使用 GaN 可实现显着改进：更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总体成本。

MasterGaN 中的内置功率 GaN 具有 150 mΩ 的 R DS（ON）和 650-V 的漏源击穿电压，而内置栅极驱动器的高端可通过内置自举二极管轻松供电。

MasterGaN1的框图

MASTERGAN1 配备了在低效率或危险条件下的故障保护，联锁功能可防止交叉传导条件。逻辑输入与 3.3 V 至 15 V 的信号兼容，从而提供与微控制器和各种传感器的轻松接口。

这些器件将作为引脚兼容的半桥产品提供，允许工程师以最少的硬件更改扩展项目。利用 GaN 晶体管的低通电损耗和无体二极管恢复特性，这些产品在高端高效拓扑中提供了改进的整体性能，例如具有有源钳位的反激或正激、谐振、PFC 图腾柱无桥，以及其他用于 AC/DC 和 DC/DC 转换器的软开关和硬开关拓扑。

EVALMASTERGAN1 板允许您评估 MASTERGAN1 的特性并快速创建新拓扑，而无需完整的 PCB 设计。该板提供了一个板载可编程死区时间发生器，带有单个 VCC 电源（6 V 型）。一个集成的 3.3V 线性稳压器为微控制器或 FPGA 提供逻辑。该板提供定制机会，例如使用外部自举二极管、为各种解决方案提供独立电源，以及为峰值电流拓扑使用低侧分流电阻器。

审核编辑：郭婷