使用MASTERGAN1氮化镓进行设计降低设计复杂性

我们推出的MASTERGAN1，这是第一个也是唯一一个包含一个栅极驱动器和两个增强模式氮化镓 （GaN） 晶体管的 600 V 单封装。类似的竞争器件仅提供一种 GaN。然而，ST 决定将其加倍以启用半桥配置并允许 MASTERGAN1 采用新的拓扑结构。例如，工程师可以在设计 AC-DC 系统时在 LLC 谐振转换器中使用它。该器件还适用于其他常见的高效和高端拓扑，例如有源钳位反激式或正激式。它还解决了更高的额定功率和图腾柱 PFC。

新器件具有高度的象征意义，因为它可以更轻松地在更常见的产品中使用 GaN 晶体管。当业界第一次使用这些电源设备时，它是在电信设备或数据中心的电源中。多亏了 MASTERGAN1，工程师们现在可以为超快速智能手机充电器和 USB-PD 适配器等提供更高效的电源。

为什么在智能手机电源中使用氮化镓？

许多消费者对此视而不见，但智能手机、平板电脑或笔记本电脑充电器的电量近年来呈指数级增长。制造商面临一个难题。电池容量基本保持不变，部分原因是材料设计缺乏突破。因此，移动设备没有提供更大的电池，而是简单地充电更快。借助USB 供电 （USB-PD）和快速充电技术，可以在不到十分钟的时间内达到 50%。这仅是可能的，因为充电器现在在某些情况下能够输出高达 100 W 的功率。然而，为了使整体尺寸接近我们今天的尺寸，系统需要高开关频率。

如果使用 GaN 晶体管的充电器还没有出现在每个角落，那是因为设计它们是一项重大挑战。以中型甚至大型公司的普通工程师为例。那个人首先会遇到一个简单的文化挑战。说服经理和高管并不总是那么容易。尽管如此，帮助决策者理解这项技术是必不可少的。一旦工程师的项目获得所有必要的批准，设计 PCB 就绝非易事。创建一个不起眼的 PCB 很容易。此外，实施适当的安全措施至关重要。MASTERGAN1 的意义在于它能够解决所有这些问题并在更多应用中推广 GaN。

MASTERGAN1：了解氮化镓

氮化镓电性能

氮化镓因其固有的特性而在小型设备中需要高功率时大放异彩。材料本身并不是什么新鲜事。我们从 90 年代开始在 LED 中使用它，从 2000 年代开始将其用作蓝光阅读器中的蓝色激光器。然而，创始人现在能够在硅晶片上生长一层薄薄的 GaN 来制造具有独特特性的晶体管。GaN的带隙为3.39 eV，远高于硅（1.1 eV）和碳化硅（2.86 eV）。因此，它的临界电场也更高，这意味着它在高频下提供了更高的效率。

这些特性根源的高带隙来自GaN的分子结构。镓本身是一种非常差的电导体。然而，当氮原子破坏镓晶格时，它会显着增加结构的电子迁移率（1，700 cm 2 /Vs）。因此，电子可以以更快的速度移动而损失更少。因此，要求开关频率高于 200 kHz 的应用使用 GaN 效率更高。它可以实现更小、更具成本效益的系统。

看到 EVALMASTERGAN1 是相信的

尽管掌握了所有这些理论知识，但可能仍然难以说服决策者。毕竟，GaN晶体管并不新鲜，但它们在大批量产品的电源中的使用仍然是一个新事物。借助 EVALMASTERGAN1板，展示 GaN 和 MASTERGAN1 的功能变得更加简单明了。展示一个物理平台使其成为现实，以及电源中的单个封装会是什么样子。甚至可以自定义电路板。可以添加一个低侧分流器或一个外部自举二极管等，以更好地模拟最终设计。展示其对各种电源电压的支持也变得更加容易。此外，可以访问 MASTERGAN1 的所有引脚，以帮助开发人员及早测试他们的应用程序。

MASTERGAN1：使用氮化镓进行设计

降低设计复杂性

从概念验证到定制设计可能具有挑战性。评估板的原理图是一个很好的起点，但高频应用很棘手。如果 PCB 上的走线太长，感应寄生可能会导致问题。为半桥转换器包括两个 GaN 晶体管也很重要，但大多数竞争器件只提供一个。MASTERGAN1 因此是一款独特的产品，因为它是当今唯一集成了两个 GaN 晶体管的单芯片。 因此，工程师不必处理与这些类型的应用程序相关的复杂性。同样，栅极驱动器的特殊 GaN 技术和优化意味着系统不需要负电压电源。MASTERGAN1 还具有与 20 V 信号兼容的输入引脚。因此，工程师可以将它与各种现有和即将推出的控制器一起使用。

工程师还必须处理关键的尺寸限制。智能手机充电器必须保持小。因此，MASTERGAN1 封装尺寸仅为 9 mm x 9 mm，这一事实具有相当大的优势。此外，随着我​​们在未来几个月内使用新设备扩展这个新系列，我们将保持它们的引脚对引脚兼容。因此，使用 MASTERGAN 家族的另一个成员会更直接。基于使用 MASTERGAN1 的 PCB 创建新设计会更简单。最后，能够更快地设计出更小的 PCB 意味着可以节省大量成本。随着制造商努力打造更实惠的解决方案，MASTERGAN1 有助于使设计更实惠。它还解释了为什么我们已经赢得了设计胜利。

提高鲁棒性

工程师面临的另一个主要挑战在于创建稳健的设计。爆炸式充电器最终成为整个社交媒体。不可靠的系统对客户服务运营构成重大压力。但实施安全功能远非易事。在处理 GaN 半桥拓扑时，必须避免同时开启两者。因此，MASTERGAN1 集成了互锁功能、匹配的传播延迟以及不同的开启和关闭栅极电流。此类功能可实现干净高效的切换。最后，我们为 e-MODE GaN FET 设计了 ​​MASTERGAN1 的栅极驱动器，从而提高了性能和耐用性。

针对 GaN FET 优化的欠压锁定 （UVLO） 保护可防止效率大幅降低和潜在问题。此类问题可能来自在低电源电压下运行。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有效的输入缓冲使 GaN 的栅极驱动非常稳健且抗噪声。最后，关闭引脚允许来自 MCU 的专用线路将设备设置为空闲模式。

审核编辑：郭婷