我們推出的MASTERGAN1，這是第一個也是唯一一個包含一個柵極驅動器和兩個增強模式氮化鎵 （GaN） 晶體管的 600 V 單封裝。類似的競爭器件僅提供一種 GaN。然而，ST 決定將其加倍以啟用半橋配置并允許 MASTERGAN1 采用新的拓撲結構。例如，工程師可以在設計 AC-DC 系統時在 LLC 諧振轉換器中使用它。該器件還適用于其他常見的高效和高端拓撲，例如有源鉗位反激式或正激式。它還解決了更高的額定功率和圖騰柱 PFC。

新器件具有高度的象征意義，因為它可以更輕松地在更常見的產品中使用 GaN 晶體管。當業界第一次使用這些電源設備時，它是在電信設備或數據中心的電源中。多虧了 MASTERGAN1，工程師們現在可以為超快速智能手機充電器和 USB-PD 適配器等提供更高效的電源。

為什么在智能手機電源中使用氮化鎵？

許多消費者對此視而不見，但智能手機、平板電腦或筆記本電腦充電器的電量近年來呈指數級增長。制造商面臨一個難題。電池容量基本保持不變，部分原因是材料設計缺乏突破。因此，移動設備沒有提供更大的電池，而是簡單地充電更快。借助USB 供電 （USB-PD）和快速充電技術，可以在不到十分鐘的時間內達到 50%。這僅是可能的，因為充電器現在在某些情況下能夠輸出高達 100 W 的功率。然而，為了使整體尺寸接近我們今天的尺寸，系統需要高開關頻率。

如果使用 GaN 晶體管的充電器還沒有出現在每個角落，那是因為設計它們是一項重大挑戰。以中型甚至大型公司的普通工程師為例。那個人首先會遇到一個簡單的文化挑戰。說服經理和高管并不總是那么容易。盡管如此，幫助決策者理解這項技術是必不可少的。一旦工程師的項目獲得所有必要的批準，設計 PCB 就絕非易事。創建一個不起眼的 PCB 很容易。此外，實施適當的安全措施至關重要。MASTERGAN1 的意義在于它能夠解決所有這些問題并在更多應用中推廣 GaN。

MASTERGAN1：了解氮化鎵

氮化鎵電性能

氮化鎵因其固有的特性而在小型設備中需要高功率時大放異彩。材料本身并不是什么新鮮事。我們從 90 年代開始在 LED 中使用它，從 2000 年代開始將其用作藍光閱讀器中的藍色激光器。然而，創始人現在能夠在硅晶片上生長一層薄薄的 GaN 來制造具有獨特特性的晶體管。GaN的帶隙為3.39 eV，遠高于硅（1.1 eV）和碳化硅（2.86 eV）。因此，它的臨界電場也更高，這意味著它在高頻下提供了更高的效率。

這些特性根源的高帶隙來自GaN的分子結構。鎵本身是一種非常差的電導體。然而，當氮原子破壞鎵晶格時，它會顯著增加結構的電子遷移率（1，700 cm 2 /Vs）。因此，電子可以以更快的速度移動而損失更少。因此，要求開關頻率高于 200 kHz 的應用使用 GaN 效率更高。它可以實現更小、更具成本效益的系統。

看到 EVALMASTERGAN1 是相信的

盡管掌握了所有這些理論知識，但可能仍然難以說服決策者。畢竟，GaN晶體管并不新鮮，但它們在大批量產品的電源中的使用仍然是一個新事物。借助 EVALMASTERGAN1板，展示 GaN 和 MASTERGAN1 的功能變得更加簡單明了。展示一個物理平臺使其成為現實，以及電源中的單個封裝會是什么樣子。甚至可以自定義電路板。可以添加一個低側分流器或一個外部自舉二極管等，以更好地模擬最終設計。展示其對各種電源電壓的支持也變得更加容易。此外，可以訪問 MASTERGAN1 的所有引腳，以幫助開發人員及早測試他們的應用程序。

MASTERGAN1：使用氮化鎵進行設計

降低設計復雜性

從概念驗證到定制設計可能具有挑戰性。評估板的原理圖是一個很好的起點，但高頻應用很棘手。如果 PCB 上的走線太長，感應寄生可能會導致問題。為半橋轉換器包括兩個 GaN 晶體管也很重要，但大多數競爭器件只提供一個。MASTERGAN1 因此是一款獨特的產品，因為它是當今唯一集成了兩個 GaN 晶體管的單芯片。 因此，工程師不必處理與這些類型的應用程序相關的復雜性。同樣，柵極驅動器的特殊 GaN 技術和優化意味著系統不需要負電壓電源。MASTERGAN1 還具有與 20 V 信號兼容的輸入引腳。因此，工程師可以將它與各種現有和即將推出的控制器一起使用。

工程師還必須處理關鍵的尺寸限制。智能手機充電器必須保持小。因此，MASTERGAN1 封裝尺寸僅為 9 mm x 9 mm，這一事實具有相當大的優勢。此外，隨著我??們在未來幾個月內使用新設備擴展這個新系列，我們將保持它們的引腳對引腳兼容。因此，使用 MASTERGAN 家族的另一個成員會更直接。基于使用 MASTERGAN1 的 PCB 創建新設計會更簡單。最后，能夠更快地設計出更小的 PCB 意味著可以節省大量成本。隨著制造商努力打造更實惠的解決方案，MASTERGAN1 有助于使設計更實惠。它還解釋了為什么我們已經贏得了設計勝利。

提高魯棒性

工程師面臨的另一個主要挑戰在于創建穩健的設計。爆炸式充電器最終成為整個社交媒體。不可靠的系統對客戶服務運營構成重大壓力。但實施安全功能遠非易事。在處理 GaN 半橋拓撲時，必須避免同時開啟兩者。因此，MASTERGAN1 集成了互鎖功能、匹配的傳播延遲以及不同的開啟和關閉柵極電流。此類功能可實現干凈高效的切換。最后，我們為 e-MODE GaN FET 設計了 ??MASTERGAN1 的柵極驅動器，從而提高了性能和耐用性。

針對 GaN FET 優化的欠壓鎖定 （UVLO） 保護可防止效率大幅降低和潛在問題。此類問題可能來自在低電源電壓下運行。同樣，集成的熱關斷功能可防止器件過熱。柵極驅動器的電平轉換器和有效的輸入緩沖使 GaN 的柵極驅動非常穩健且抗噪聲。最后，關閉引腳允許來自 MCU 的專用線路將設備設置為空閑模式。

審核編輯：郭婷