意法半导体MasterGaN与VIPerGaN产品家族介绍

随着半导体技术不断革新，智能功率氮化镓（GaN）成为备受瞩目的关键技术。它融合了氮化镓材料高电子迁移率、低导通电阻、耐高温高压的特性，以及智能控制电路和功能，能实现高效的功率转换、低能耗和高功率密度，广泛应用于消费电子、工业、通信等多个领域，极大地推动了电子产品的升级和工业设备性能的提升。

意法半导体（ST）敏锐捕捉到这一技术的巨大潜力，在智能功率氮化镓领域躬耕多年，成绩斐然。

早在2020年，ST就率先将MasterGaN推向市场。ST凭借独特的高压氮化镓驱动器和数字电源解决方案，目前已推出10种智能功率氮化镓产品，比如MasterGaN 600V半桥驱动器、VIPerGaN 650V转换器等。

ST具备独特的电源功率转换系统专业知识，不仅能提供整体解决方案和数字电源，还在向单片氮化镓领域拓展。ST的战略是将智能氮化镓和数字电源相结合，以此提升系统在功率密度和环境可持续性方面的整体性能。

MasterGaN产品家族

MasterGaN产品架构如下图所示：右边为高边/低边两个GaN晶圆，中间部分为高边/低边氮化镓驱动，左边为逻辑和保护功能。用户使用MasterGaN系列，只需通过LIN和HIN两个引脚（兼容3.3V~15V逻辑输入电平）控制两个管脚的开通和关断，可以简化设计，快速上手。

MasterGaN创新地将栅极驱动器和两个增强模式的氮化镓（GaN）晶体管以半桥结构集成在一起，带来出色的产品特性：

结构紧凑：集成功率氮化镓和线性稳压器，为低边和高边输出级供电，让产品结构精巧紧凑。

安全可靠：支持硬开关拓扑应用，低端和高端驱动部分都有欠压锁定（UVLO）保护，防止功率开关在低效或危险情况下工作；互锁功能避免上下管共通，还有过温保护，稳定性拉满。

易于设计：采用GQFN 9x9 mm2封装，输入引脚电压范围3.3V到15V，带迟滞和下拉功能，方便和MCU、DSP或霍尔效应传感器连接；专用关断引脚，内部时序匹配精准，设计起来超方便。

目前，手机充电器功率一般为65W，笔记本适配器功率为200W或300W，因此MasterGaN系列非常适合手机充电器和笔记本适配器应用。华为、联想等企业的笔记本适配器都采用了ST的氮化镓产品，华为的66W超薄充电器，更是被评为世界上功率密度最高的充电器之一。

ST的600V MasterGaN系列产品亮点颇多。它采用QFN 9x9 mm2封装，引脚对引脚可扩展，方便灵活使用。一个封装里集成多个功率氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT），适配半桥配置，目前已有7种产品量产：MasterGaN1/1L (150mR+150mR) 、MasterGaN2 (150mR+225mR) 、MasterGaN3 (225mR+450mR) 、MasterGaN4/4L (225mR+225mR) 、MasterGaN5 (450mR+450mR) ；功率覆盖范围45W-500W。其中MasterGaN4L、MasterGaN1L具备更低功耗特性，节能优势明显。

VIPerGaN产品家族

VIPer系列产品能够将交流电（AC），借助脉宽调制控制器（PWM Controller）和氮化镓元件，再经过隔离和反馈电路，最终转换为直流电（DC）输出。

该系列产品功率在5W到100W之间。不同型号适用的拓扑结构包含降压（Buck）、反激式初级端调节/次级端调节（Flyback PSR/SSR）以及反激式次级端调节（Flyback SSR）。

其中，VIPerGaN100、VIPerGaN65/65D、VIPerGaN50耐压可达650V，瞬态最大耐压可达850V，并已量产。VIPer系列产品市场表现十分亮眼。该系列产品累计出货量已超40亿个。

VIPerGaN在高压转换领域堪称先驱产品，它集成了创新的脉宽调制（PWM）控制器以及650V氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT），采用QFN 5x6封装。

VIPerGaN特性十分丰富：

❖拥有先进的准谐振反激控制器，支持多模式运行；

❖具备650V的GaN HEMT，开关频率最高可达240kHz，还带有抖频功能；

❖内置高压启动发生器以及检测场效应晶体管（FET）；

❖拥有内部软启动功能，针对宽输出电压进行了优化；

❖具备输入电压前馈补偿功能，以实现与市电无关的过功率保护（OPP）；

❖采用谷底锁定，确保恒定的谷底跳跃；

❖无需外部VDD线性稳压器（仅需VDD辅助绕组）；

❖具备多种保护功能，包括输入/输出过压保护（OVP）、桥臂输入/输出保护、过载和短路保护；

❖带有嵌入式过温保护（OTP）；

❖具备动态消隐时间和可调节的谷底同步功能；还有自适应突发模式。

VIPerGaN不仅拥有更高的功率密度和效率，还能够有效抑制电磁干扰（EMI），能让PCB更轻巧紧凑，且能低温运行。同时，它减少了磁性元件和EMI滤波器的使用，在BoM成本效益上表现出色，完全符合节能规定。该产品稳定性好，能在小封装中实现50W到100W的高功率输出。

VIPerGaN应用广泛，适用于小型化的快速充电器和适配器，在家电、工业、消费电子以及空调等领域都能大显身手。

为帮助用户加快设计，ST还推出了多款VIPerGaN评估板，适用于40W-100W功率范围，是实现高效率、高功率密度以及出色电磁干扰（EMI）性能的最简解决方案。

VIPerGaN50系列三款评估板：

❖EVLVIPGAN50PD（3.0 USB-PD适配器），输入电压范围90-265VAC，采用USB-PD输出，峰值效率超92.4%，功率45W；

❖EVLVIPGAN50FL（SSR隔离反激式）；

❖STDES-VIPGAN50FL（SSR隔离反激式）。

VIPerGaN65/65D系列三款评估板：

❖EVLVIPGAN65PD（3.0 USB-PD适配器），输入90-264VAC，峰值效率超93.5%，功率65W；

❖EVLVIPGAN65DF（SSR隔离反激式）；

❖STDES-VIPGAN65F（3.0 USB-PD适配器）。

VIPerGaN100系列三款评估板：

❖EVLVIPGAN100PD（3.0 USB-PD适配器），输入90-264VAC，峰值效率超92.6%，功率100W；

❖STDES-VGAN100F1（SSR隔离反激式）；

❖STDES-VIPGAN100F（SSR隔离反激式）。

此外，ST还推出了STDES-VIPGAN50FL工业级演示板，主要特性和目标规格包括：

❖输入电压：交流输入电压范围在176VAC到265VAC之间，频率则处于47Hz到63Hz区间；

❖输出电压：它是单路直流输出，电压为12VDC，输出功率为12V/4.15A，最大能达到50W；

❖外形尺寸：108mm（长）×68mm（宽）×16mm（顶层高度）；

❖卓越效率：当输入为230Vac时，峰值效率大于94%；而且在230Vac输入，负载分别为25%、50%、75%、100%的情况下，平均效率都大于94%；

❖节能出色：在230Vac无负载时，功耗为100mW，能有效降低能源浪费；

❖拓扑结构：采用准谐振（QR）操作，具备动态消隐时间和可调节的谷底同步延迟功能，任何输入线路和负载条件下，都能实现最高效率（这里使用的是VIPerGaN50），同时还配备了自适应同步整流控制器（SRK1001）；

❖温控优秀：所有元件的温升小于40°C，保证了产品的稳定性和使用寿命。

该Demo板效率测试报告如下图所示：