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为什么选择GaN晶体管?MASTERGAN1告诉你答案

关键词:GaN晶体管 LLC谐振变换器 PFC

时间:2020-10-15 16:51:48      来源:ST

ST发布了市场首个也是唯一的单封装集成600 V栅极驱动器和两个加强版氮化镓(GaN)晶体管的MASTERGAN1。同类竞品只提供一颗GaN晶体管,而ST决定增加一颗GaN,实现半桥配置,并允许将MASTERGAN1用于新拓扑。在设计AC-DC变换系统时,工程师可以将其用于LLC谐振变换器。新器件还将适用于其它常见的高能效和高端拓扑,例如,有源钳位反激或正激变换器,还解决了更高额定功率和图腾柱PFC的设计问题。

ST发布了市场首个也是唯一的单封装集成600 V栅极驱动器和两个加强版氮化镓(GaN)晶体管的MASTERGAN1。同类竞品只提供一颗GaN晶体管,而ST决定增加一颗GaN,实现半桥配置,并允许将MASTERGAN1用于新拓扑。在设计AC-DC变换系统时,工程师可以将其用于LLC谐振变换器。新器件还将适用于其它常见的高能效和高端拓扑,例如,有源钳位反激或正激变换器,还解决了更高额定功率和图腾柱PFC的设计问题。

新器件具有高度象征意义,因为它让GaN晶体管在大众化的产品中普及变得更容易。电信设备或数据中心的电源是最早使用这些功率器件的工业应用。现在有了MASTERGAN1,工程师可以设计能效更高的手机超级快充充电器、USB-PD适配器和其它电源产品。

为什么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,智能手机、平板电脑或笔记本电脑的充电器的输出功率呈指数增长。厂商面临一个难题,电池容量基本保持不变,或多或少与材料设计没有取得实质突破有关,在无法扩大电池容量的情况下,移动设备只能提高充电速度。借助USB Power Delivery (USB-PD)和快充技术,让十分钟内充电50%成为可能,这是因为现在充电器在某些情况下能够输出高达100 W的功率。但是,为了使充电器整体尺寸接近当前常规尺寸,系统需要高开关频率。

目前带GaN晶体管的充电器并不是到处都能买到,因为设计这类产品还是一个巨大的挑战。以一家中等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管使用GaN设计产品,而这通常不是一个容易的过程。因此,帮助决策者了解这项技术是必不可少的。在这名工程师的项目方案获准后,设计GaN产品PCB板也绝非易事,虽然开发一块普通的PCB通常不难。此外,部署适当的安全保护措施也非常重要。MASTERGAN1的重大意义在于其能够解决所有这些问题,并使GaN技术普及到更多的应用领域。

MASTERGAN1: 认识GaN

GaN的电特性

EVALMASTERGAN1

当市场开始要求小尺寸产品能够处理大功率时,GaN因其固有特性而大放异彩。GaN材料本身并不新鲜。我们从90年代开始用GaN制造LED,从2000年开始在蓝光激光头中使用GaN。今天,设计者能够在硅晶片上添加GaN薄层,制造出具有独一无二特性的晶体管。GaN的带隙为3.39 eV,远高于硅(1.1 eV)和碳化硅(2.86 eV),因此,临界场强也比后者高出许多,这意味着在高频开关时GaN的能效更高。

高带隙是支撑这些特性的根基,高带隙的根源是GaN的分子结构。镓本身是一个导电性非常差的导体。但是,当氮原子打乱镓晶格时,结构电子迁移率大幅提高(1,700 cm2/Vs),因此,电子的运动速率更高,而能量损耗更低。因此,当开关频率高于200 kHz时,使用GaN的应用的能效更高。GaN可以使系统更小巧,更经济划算。

EVALMASTERGAN:眼见为实

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晶体管并不是什么新鲜事物,但在量产电源中使用它仍然是特立独行。用EVALMASTERGAN1板展示GaN和MASTERGAN1的功能简单很多。演示一个实物平台会使项目方案变得更切实可行,并能看到单封装放在电源中是什么样子,甚至还可以按照自己的需求灵活修改板子,添加一个低边分压电阻或一个外部自举二极管,使其更接近最终设计。演示支持各种电源电压也变得更加容易。此外,还可以使用MASTERGAN1的所有引脚,帮助开发人员及早测试应用设计。

MASTERGAN1: 用GaN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,高频开关应用设计难度很大。如果PCB上走线太长,会引发寄生电感的问题。对于半桥电源变换器,集成两个GaN晶体管很重要,而大多数竞品仅提供一个GaN晶体管。MASTERGAN1之所以独一无二,是因为它是当今唯一集成两个GaN晶体管的电源解决方案。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技术和优化的栅极驱动器使系统不需要负电压电源。MASTERGAN1还具有兼容20 V信号的输入引脚。因此,工程师可以将其与现有和即将推出的各种控制器配合使用。

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,该系列今后几个月还计划推出引脚兼容的新产品。因此,更换MASTERGAN家族产品将更加容易,使用基于MASTERGAN1的PCB开发新设计将会更加简单。最后,能够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有助于使设计变得更经济划算,这也是为什么我们已经赢得客户订单的原因。

提高可靠性

设计可靠性是工程师面临的另一个重大挑战。一个爆炸的充电器会成为社交媒体的众矢之的。可靠性不高的系统会对客户服务运营造成重大压力。但是,部署安全功能远不是那么简单。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集成了互锁功能和精确匹配的传输延迟,以及差分导通和关断栅极电流。这些功能可以实现精确、高效的开关操作。最后,我们为加强版GaN FET管设计了MASTERGAN1栅极驱动器,从而提高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工作时能效严重降低和潜在问题。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高效输入缓冲功能给GaN栅极驱动器带来非常好的鲁棒性和抗噪性。最后,关闭引脚允许通过MCU的专用引脚将功率开关设为空闲模式。

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