通过宽带隙技术最大限度地来提高高压转换器的功率密度

（来源：意法半导体）

增加功率密度和缩小电源供应并不是什么新鲜事。这一趋势预计将继续下去，从而催生新的市场、应用和产品。此博客向设计工程师介绍 STMicroelectronics (ST) 电源解决方案如何结合宽带隙 (WBG) 技术来帮助推动设备小型化趋势。

更高功率密度的重要性

更高的功率密度对于满足各地不断增长的能源需求以及市场对更小、更高效电源的持续需求至关重要。半导体供应商已经设法从标准硅基设备中获得大量利用，并且硅基设备将继续成为电源系统的重要组成部分。然而，宽带隙半导体材料在实现最紧凑和高效的电源解决方案方面具有显着优势。例如，氮化镓 (GaN) 是应对这些挑战并提高功率密度和微型化能力的强大解决方案。ST 在其创新的 MasterGaN 系列器件中使用了 GaN 技术。MasterGaN 可应用于谐振 LLC 转换器，以创建无散热器的 250W 电源。

氮化镓

作为宽带隙半导体，GaN 功率场效应晶体管具有更大的功率密度，可以在更高的电压下工作，工作在更高的频率下，并使更小的设备成为可能。将 GaN 与传统硅 (Si) 半导体器件区分开来的关键现象是其更高的带隙。带隙是激发电子使其从价带顶部跳到导带底部所需的能量，电子可以在导带底部用于电路。增加带隙对该器件有重大影响。

GaN 等带隙较大的材料可以承受更强的电场。这种稳健性允许 GaN 在更高的电压和更高的电子迁移率和饱和速度下运行。这些关键属性使 GaN 开关在与等效硅元件相同的电阻和击穿电压下速度提高了十倍并且尺寸明显更小。GaN 功率 FET 以其远超传统硅 MOSFET 能力的更高速度、效率和功率密度推动了电源工程。市场对更高效率和功率密度的需求正在推动 GaN 在紧凑型、便携式和高功率应用中的采用。强大的充电器是快速充电智能手机、平板电脑和移动应用程序的关键增长领域。GaN 具有许多其他应用，这些应用将极大地受益于其功能，

使用 MasterGaN 解决设计挑战

分立式 GaN 晶体管传统上需要占用大量电路板空间的专用高压半桥栅极驱动器。分立方法还在高度敏感的 GaN 栅极上引入了额外的电感和电容。MasterGaN 通过栅极驱动器与 GaN 晶体管的封装级集成解决了这些设计挑战。ST 的 MasterGaN 产品系列将高压智能功率 BCD 工艺栅极驱动器与高压 GaN 晶体管结合在一个封装中。MasterGaN 系列具有三个关键属性：紧凑性、稳健性和易于设计。MasterGaN 由于其高功率密度而实现了紧凑性；它的大小是同类硅解决方案的 ¼。MasterGaN 器件坚固耐用，包括针对 GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 优化的离线驱动器。四方扁平无引线 (QFN) 封装可将系统尺寸减小多达 70%，从而使充电器和适配器的重量减轻多达 80%。

通过利用 MasterGaN 的高集成度，可以创建无散热器的 250W 紧凑型高效开关模式电源（图 1). 该电源是减少电源设计空间的绝佳示例。该板设计为带有两个垂直子卡的主板。左边的子卡是MASTERGAN1电路，右边的子卡是副边的同步整流电路。该设计包括短路、过载、掉电和过压保护。该设计中的 ST L6599A 谐振 LLC 控制器以 160kHz 的频率运行，尽管该控制器的运行频率可以高达 700kHz，并且该设计具有带 15V 输出驱动的集成栅极驱动器。MasterGaN 完全兼容 L6599A，因为它具有宽输入电压范围和高频能力。该设计还包括一个 SRK2001 LLC 谐振控制器。当与标准硅 MOSFET 结合使用时，

图 1：MASTERGAN1 在谐振 LLC 转换器中的实现（来源：STMicroelectronics）

在使用高性能开关模式电源进行设计时，设计人员必须小心确保所有电源引脚都正确馈电和去耦。设计人员还需要确保正确配置控制信号，以充分发挥 GaN 的优势。

热管理也很重要，ST 提供了一些优化电路板布局以保持低温运行的技巧。MasterGAN 具有三组电源引脚：前端电源 (VCC)、浮动高侧电源 (BOOT) 和低侧 (PVCC) 电源。请注意，低端和高端驱动器都是浮动的。结合集成电平转换器，这些浮动电源通过使输入信号对两个接地连接时可能产生的电感噪声耦合不敏感，从而有助于确保正确的栅极驱动。这三个电源都可以独立供电，尽管在许多应用中，高侧驱动器可以由 VCC 通过集成的自举二极管供电。该自举结构仅在低侧导通时间期间导通。这种结构减少了中频（典型值高达 400kHz）应用中的元件数量。随着开关速度的增加，考虑通过外部更高性能的自举二极管供电。供应源基础知识显示在（图 2）。

图 2：供应来源基础知识（来源：STMicroelectronics）

MasterGaN 输入逻辑明确设计为尽可能简单地驱动 GaN 晶体管。对于 MasterGaN，无论 VCC 值如何，输入引脚的电压上限均为 20V。此功能使 MasterGaN 与“面向 MOS 的”控制器一起使用变得容易，该控制器在 12V 或更高的典型 VCC 下运行，如设计示例中的 L6599A 所示。这些阈值还允许 MasterGaN 连接到具有 3.3V 逻辑的微控制器，以实现您自己的自定义 SMPS 算法。将控制信号连接到 MasterGaN 时，只需确保它们已连接即可！可以在信号路径中添加一个低通滤波器，以消除系统嘈杂时意外切换的风险。MasterGaN 器件在内部缓冲逻辑输入（LIN、HIN、和 SD/OD）与具有准确开启/关闭阈值的施密特触发器，以提高抗噪性并增加传播延迟的可重复性。当逻辑输入为高阻抗时，MasterGaN 器件中的内部下拉电阻器可避免未定义的电压电平。

电源设计中的热管理

热管理是电源设计和电路板布局中最关键的方面之一。9mm x 9mm 双扁平无引线 (DFN) 封装具有三个必须焊接到电路板上的外露焊盘。顶壳的热阻远高于底部裸露焊盘的热阻。这种设计有助于通过 PCB 和覆铜区域散热（图 3）。

图 3：电路板布局图和显示高温区域的热图。（来源：意法半导体）

在 MasterGaN 电路上，载流 GAN 晶体管位于标有 SENSE 和 OUT 的大焊盘下方。这些是封装的热关键位置。布置电路板时，请密切注意最大限度地排热。OUT 连接到高侧晶体管源极，而 SENSE 连接到低侧晶体管源极。除了此处的EVLMG1-250LLC LLC演示板外，ST 还有其他评估平台可帮助设计人员制作原型、测试和开发高性能电源。EVALMASTERGAN1 和 2 以及 EVLMG1-250WLLC 现已上市。

EVLMG1-250WLLC 评估板提供强大的效率和散热结果。结果表明，当 MASTERGAN1 集成到 LLC 谐振转换器中时，它为开发和理解开关特性提供了一个坚实的平台（图 4）。

图 4：(a) EVLMG1-250WLLC 的效率与负载，(b) 热图。（来源：意法半导体）

结论

GaN 技术正在创造新一波具有更高功率密度和更高效率的功率转换方法。ST 使用 GaN 开发尖端产品，通过我们高度集成的 MasterGaN 系列 GaN 半桥和集成栅极驱动器帮助工程师更高效地设计高级电源。遵循一些好的设计指南可以帮助设计人员最大限度地提高功率密度。

如需了解更多信息，请访问STMicroelectronics MASTERGAN GaN 半桥高压驱动器。

审核编辑：汤梓红