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为什麽选择GaN电晶体?MasterGaN1告诉你答案
 

【作者: 意法半導體】2020年10月27日 星期二

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意法半导体(ST)推出了市面上首个也是唯一的单封装整合600 V闸极驱动器和两个加强版氮化??(GaN)电晶体的MasterGaN1。同类竞品只提供一颗GaN电晶体,而ST决定增加一颗GaN,实现半桥配置,并可让MasterGaN1用於新拓扑。在设计AC-DC转换系统时,工程师可以将其用於LLC谐振变换器。新元件还将适用於其它常见的高效能和高阶拓扑,例如,有源钳位反激或正激转换器,还解决了更高额定功率和图腾柱PFC的设计问题。



图一 : MasterGaN1的独特性在於整合两个GaN电晶体的电源解决方案。(source:ST)
图一 : MasterGaN1的独特性在於整合两个GaN电晶体的电源解决方案。(source:ST)

新元件具有高度象徵意义,因为它让GaN电晶体在大众化的产品中可以变得更为普及。电信设备或资料中心的电源是最早使用这些功率元件的工业应用。现在有了MasterGaN1,工程师可以为手机设计出效能更高的超级快充充电器、USB-PD充电器和其它电源产品。


为什麽要在手机电源中采用GaN?

许多消费者没有意识到一个现象,近年来,智慧型手机、平板电脑或笔记型电脑的充电器输出功率呈指数成长。厂商面临一个挑战,即电池容量保持不变,或多或少与材料设计并未出现实质突破相关,在无法扩大电池容量的情况下,行动装置只能仰赖提升充电速度。藉由USB Power Delivery (USB-PD)和快充技术,让十分钟内充饱50%电力的目标成为可能,这是因为现在的充电器在某些情况下能够输出高达100W的功率。但是,为了使充电器整体大小接近常规尺寸,系统需要高开关频率。


目前具备GaN电晶体的充电器并不是随手可得,因为设计这类产品仍旧是一个巨大的挑战。以一家中型规模或大型企业的一名普通工程师为例,首先他会遇到一个简单的文化挑战,即如何说服经理和高阶主管采用GaN来设计产品,而这通常不是一个容易的过程。因此,必须协助决策者了解这是一项不可或缺的技术。在这名工程师的提案获准後,虽然开发一块普通的PCB部不困难,但设计GaN产品PCB板也绝非易事。此外,部署适当的安全保护措施也非常重要。MasterGaN1的重大意义在於其能够解决所有这些问题,并使GaN技术普及到更多应用领域。


MasterGaN1:认识GaN

GaN的电特性


图二 : EVALMASTERGAN1(source:ST)
图二 : EVALMASTERGAN1(source:ST)

当市场开始要求小尺寸产品能够处理大功率时,GaN因其特性而大放异彩。GaN材料本身并非刚问世的产品。ST从90年代开始用GaN制造LED,从2000年开始在蓝光雷射头中使用GaN。现今设计者能够在矽晶片上添加GaN薄层,制造出具有独一无二特性的电晶体。GaN的能隙为3.39 eV,远高於矽(1.1 eV)和碳化矽(2.86 eV),因此,临界场强也比後者高出许多,这意味着在高频开关时GaN的效能更高。


高能隙是支撑这些特性的根基,高能隙的根源是GaN的分子结构。??本身是一个导电性非常差的导体。但是,当氮原子打乱??晶格时,结构电子迁移率大幅提升(1,700 cm2/Vs),因此,电子的动作速率更高,而能量损耗更低。当开关频率高於200kHz时,使用GaN的应用的效能将更高。GaN可以让系统更小,而且更经济。


EVALMASTERGAN:眼见为凭

尽管工程师掌握了所有这些理论知识,仍可能很难说服决策者。虽然GaN电晶体并不是新鲜的事物,但在量产电源中使用它仍然是特立独行。使用EVALMASTERGAN1板展示GaN和MasterGaN1的功能简单很多。展示一个实体平台会使专案变得更加可行,还能看到单封装放在电源中是什麽样子,甚至还可以依照自己的需求弹性地修改板子,增加一个低边分压电阻或一个外部自举二极体,使其更接近最终设计。展示支援各种电源电压也变得更加容易。此外,还可以使用MasterGaN1的所有脚位,协助开发人员及早测试应用设计。


MasterGaN1:使用GaN设计

降低设计复杂度

图三 : MASTERGAN1(source:ST)
图三 : MASTERGAN1(source:ST)

从概念验证到客制化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,高频开关应用设计难度很高。如果PCB上走线太长,会引发寄生电感的问题。对於半桥电源转换器,整合两个GaN电晶体很重要,而大多数竞品仅提供一个GaN电晶体。MasterGaN1的独特性在於它是当今唯一整合两个GaN电晶体的电源解决方案。因此,工程师不必处理与这类应用相关的复杂的驱动问题。同样,特殊的GaN技术和优化的闸极驱动器使系统不需要负电压电源。MasterGaN1还具有相容20 V讯号的输入脚位。因此,工程师可以将其与现有和即将推出的各种控制器搭配使用。


工程师还必须着手解决尺寸限制这一重要问题。手机充电器必须保持小巧的设计。因此,MasterGaN1封装的尺寸仅为9 mm x 9 mm,这是一个很大的优势。此外,该系列今後几个月还计画推出脚位相容的新产品,将让使用MasterGaN1的PCB开发新设计变得更加简单。最後,更快地设计出更小的PCB可以节省大量成本。随着制造商力争开发更经济的解决方案,MasterGaN1有助於使设计变得更经济。


提升可靠性

设计可靠性是工程师面临的另一个重大挑战。一个会爆炸的充电器会成为社群媒体的众矢之的。可靠性不高的系统会为客户服务造成重大压力。但是,部署安全功能远不是那麽简单。在采用GaN半桥拓扑时,必须避免两个开关管同时导通。因此,MasterGaN1整合了互锁功能和精确配对的传输延迟,以及差分导通和关断闸极电流。这些功能可以带来精确、高效的开关操作。ST为加强版GaN FET二极体设计了MasterGaN1闸极驱动器,进而提升了系统性能和可靠性。


针对GaN FET优化的欠压锁定(UVLO)保护可防止在低电源电压下运作时效能严重降低和潜在问题。同样,整合的热关断功能可防止器件过热。闸极驱动器的电平转换器和高效输入缓冲功能为GaN闸极驱动器带来非常好的稳定性和抗噪性。最後,关闭脚位可透过微控制器的专用脚位将功率开关设为空闲模式。


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