全新MASTERGAN1，让GaN晶体管更具说服力和直观性

由 judy 提交于周二, 10 十二月 2024 - 10:27

前不久意法半导体发布了全新MASTERGAN1产品，它同时集成了半桥驱动器和两个增强模式氮化镓（GaN）晶体管，类似的竞争产品仅仅只包含单个氮化镓晶体管，这使得ST的MASTERGAN1在半桥拓扑应用中优势明显。例如，常见的 AC-DC系统中 LLC谐振转换器，有源钳位反激或正激，图腾柱PFC等等。

该款新器件具有极高的象征意义，因为集成度更高，设计应用更为简便。目前业界使用此类电源器件时，主要将其用于电信设备或数据中心的电源中。如今，借助MASTERGAN1，工程师可为智能手机充电器和USB-PD适配器设计尺寸更小并且更加高效的电源。

为什么要在智能手机电源中使用氮化镓？

近年来智能手机，平板电脑或笔记本电脑的功率呈指数增长。为了让消费者有更好的使用体验，制造厂商不得不增加电池容量。但是由于电池材料技术的限制，电池容量方面难有重大突破。于是发展快充技术成为了制造商的首选。借助USB Power Delivery（USB-PD）和快速充电技术，您可以在不到十分钟的时间内达到50％的电量。这就要求充电器在短时间内可以输出100W甚至更高的功率。在维持充电器尺寸不变的前提下，提高开关频率势在必行。

目前带有GaN晶体管的充电器尚未普及，高设计难度首当其冲。以中型甚至大型公司的工程师为例，说服领导层使用新技术并非易事，所以帮助决策者理解这项技术至关重要。同时GaN晶体管印刷电路板的设计不同于普通硅管，设计一个稳定可靠的GaN晶体管电路板也是一个重大的挑战。MASTERGAN1的意义在于它能够解决所有这些问题，让整个设计简便可靠。

了解氮化镓GaN电性能

【EVALMASTERGAN1】

氮化镓凭借其固有的特性，可在小型设备需要高功率时发挥重要作用。这种材料本身并非新鲜事物。我们从上世纪九十年代开始将其用于LED，并从21世纪起将其用于蓝光阅读器。而如今，创始人能在硅片上生成一层薄薄的氮化镓，从而制造出具有独特性能的晶体管。氮化镓的带隙为3.39eV，远高于硅(1.1 eV)和碳化硅(2.86 eV)。因此，其临界电场也要高得多，这意味着它在高频下能提供更高的效率。

这些特性的根本原因来自于GaN的分子结构。镓本身是导电率低的电导体。然而，当氮原子破坏镓晶格时，它会显著增加结构的电子迁移率（1700cm2/Vs），因此电子可以以更高的速度移动而损失更少。当应用在开关频率高于200khz的场景中，使用GaN的效率更高。它可以实现体积更小、更具成本效益的系统。

EVALMASTERGAN1，眼见为实

尽管有这些理论知识，但要说服决策者可能依然困难重重。虽然GaN晶体管并不是什么新鲜事物，但是它们在大批量产品电源中的使用仍然是新颖的。要使GaN和MASTERGAN1的功能展示变得更加简单，必须依靠EVALMASTERGAN1板。它是一个真实可见的物理平台，并且展示了电源中单个封装的外观。用户可以选择添加一个低端分流器或一个外部自举二极管，以便更好地适用于终端设计。此外，还可以访问MASTERGAN1的所有引脚，以帮助开发人员初期调试及应用。

MASTERGAN1：用氮化镓进行设计降低设计复杂度

【MASTERGAN1】

从概念验证到定制设计可能会充满挑战。评估板的原理图是一个很好的起点，但是高频应用却很棘手。如果PCB上的走线太长，则寄生电感会导致误开关问题。对于半桥转换器而言，两个GaN晶体管是必须的，但是大多数竞争器件仅提供一个。MASTERGAN1是一款独特的产品，因为它是集成两个GaN晶体管的单芯片。所以工程师不必应对与此类应用相关的复杂性。同样，特定的GaN技术和栅极驱动器上的优化设计也意味着系统不需要负电压关断。MASTERGAN1还具有兼容20V信号的输入引脚，可以适用于各种现有和即将推出的控制器。

工程师还必须应对关键的尺寸限制。智能手机充电器必须保持小型化。因此，MASTERGAN1封装的尺寸仅为9 mm x9 mm非常具有优势。此外，在未来几个月内会陆续推出迭代产品，我们将使其与现有引脚保持兼容。这使得基于使用MASTERGAN1的PCB创建新设计会更加简单。随着制造商争相提供更实惠的解决方案，MASTERGAN1将使设计更具性价比。这也解释了为什么MASTERGAN1已经获得设计大奖。

提高可靠性

工程师面临的另一个主要挑战是可靠性。不稳定的系统会严重影响用户体验甚至降低消费者对产品的信任度。共通是半桥拓扑中导致坏机的常见原因。为此，MASTERGAN1集成了互锁功能，匹配的传输延迟以及差分导通和关断的栅极电流，这些功能都可以帮助实现干净有效的开关。最后，我们为e-MODE GaN FET专门设计了MASTERGAN1的栅极驱动器，从而提高了性能和耐用性。

MASTERGAN1同时自带欠压锁定（UVLO）保护，可防止供电不足情况下损耗增大以及一些潜在的问题。同样OTP可防止设备过热导致损坏。栅极驱动器的电平转换器和有效的输入缓冲功能使GaN的栅极驱动器非常耐用且抗噪声。最后它还配置了专用的引脚可以将MASTERGAN1设置为空闲模式，降低损耗，提高待机效率。

文章来源：意法半导体工业电子