本文（上）回顧了氮化鎵的發(fā)展歷程，并介紹了意法半導(dǎo)體MasterGaN產(chǎn)品系列和解決方案；本文（下）將介紹意法半導(dǎo)體VIPerGaN產(chǎn)品系列和解決方案。

電源的高功率密度及小型化的趨勢已經(jīng)持續(xù)了幾十年，預(yù)計(jì)將繼續(xù)強(qiáng)勁增長，并在更多的市場應(yīng)用中出現(xiàn)。氮化鎵這樣的寬禁帶器件極大的加速了高壓功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的小型化和效率的提升。ACDC適配器領(lǐng)域。氮化鎵的出鏡率已經(jīng)非常之高。我們看到了在移動設(shè)備上高功率密度及小型化的迫切需求。隨著能源效率需求的增加，我相信這只是冰山的一角。IHS預(yù)測，從2025年到2028年，氮化鎵設(shè)備的出貨量將以30%的復(fù)合年增長率增長。

氮化鎵器件的采用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)以及我們個人電腦的超高速充電的應(yīng)用。有些優(yōu)秀的企業(yè)已經(jīng)將智能手機(jī)的充電時間縮短到10分鐘以內(nèi)。如今，數(shù)據(jù)中心占世界能源消耗的2%。氮化鎵平臺能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、更高功率密度的電源供應(yīng)，大大降低了擁有成本，節(jié)約了地球資源。就像電力電子的理想模型一樣，氮化鎵技術(shù)使工業(yè)應(yīng)用的電源能夠處理更多的電力，使它們變得更小、更輕、更節(jié)能。

那么是什么讓氮化鎵如此特殊？大家都知道，氮化鎵相對于傳統(tǒng)硅器件，具有更高的代隙。帶隙是電子從價帶頂部躍遷到導(dǎo)帶底部所需要的能量。氮化鎵可以承受更強(qiáng)的電場，施加更高的電壓。同時，氮化鎵具有更高的遷移速率和飽和速度，這就是氮化鎵晶體管切換速度快十倍的原因。

較高的電子遷移率意味著在相同的電阻和擊穿電壓下，器件可以更小。總而言之，氮化鎵可以工作在更高的電壓、更高的頻率，并使用更小的磁性材料。這意味著我們可以在更高的開關(guān)頻率下，以更高的效率運(yùn)行電源，從而使我們能夠使用更小的磁性器件和更好的冷卻方案。

從而在更小的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。正如我們多年來所看到的。新技術(shù)的采用遵循著正態(tài)分布模式，早期采用者和有遠(yuǎn)見的人很快就能看到新技術(shù)的長期價值，并盡早開始開發(fā)。隨著技術(shù)的成熟，好處和價值也變得越來越清晰，大多數(shù)人也隨之也一起開始開發(fā)。

由于快速充電器技術(shù)的高使用率，氮化鎵在2020年和2021年飛速發(fā)展。氮化鎵技術(shù)使得智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦非常緊湊的適配器的制造成為可能。從上圖左下角的圖表可以看出，氮化鎵非常適用于百瓦級的功率適配器。

對適配器也有很大好處的是氮化鎵的高開關(guān)頻率。高開關(guān)頻率允許電源工程師減少其電源中磁性和無源器件的尺寸。意法半導(dǎo)體的MasterGaN產(chǎn)品是世界上第一個將硅驅(qū)動器及兩顆氮化鎵功率器件集成在一個封裝中的半橋結(jié)構(gòu)的解決方案。這也推動了電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的新浪潮。

MasterGaN內(nèi)部集成了兩顆氮化鎵功率管以及柵極驅(qū)動器，可以由內(nèi)部自舉二極管輕松實(shí)現(xiàn)供電。上下管的驅(qū)動部分都設(shè)有過壓，保護(hù)、過溫保護(hù)，防止MasterGaN在低效率以及各種危險的情況下運(yùn)行。除了各種保護(hù)功能之外，MasterGaN 的上下管還有護(hù)鎖功能。

這樣就可以有效避免半橋結(jié)構(gòu)在某些特殊情況下發(fā)生上下管直通的風(fēng)險。簡化了工程師對芯片的風(fēng)險考慮，并且使得芯片的穩(wěn)定性更好。MasterGaN采用QFN9x9封裝。輸入引腳擴(kuò)展范圍從負(fù)的3.3V一直到正的15V。

具有遲滯和下拉功能，方便與微控制器以及或傳感器連接。芯片設(shè)有專用的使能引腳，可以輕輕松實(shí)現(xiàn)power up 和power down 的功能。這樣集成了功率管和驅(qū)動器的好處有哪些呢？

如上圖所示：

這樣做我們可以更大的優(yōu)化三級layout的布局，使得電路更加高效。

最小化寄生參數(shù)可以使器件工作在更高的開關(guān)頻率，使得功率密度可以更高。

這種做法可以使我們的工程師在使用器件的時候更加的容易方便。

目前，意法半導(dǎo)體正在量產(chǎn)的MasterGaN產(chǎn)品共有5款。從下圖可以清晰的看到各個部件的內(nèi)阻參數(shù)以及可覆蓋的功率范圍。

其中，MasterGaN2和MasterGaN3為非對稱結(jié)構(gòu)。適用于ACF及非對稱半橋的拓?fù)洹asterGaN1 MasterGaN4以及MasterGaN5 為對稱結(jié)構(gòu)適用于各種LLC、ACF以及AHB等top。所有MasterGaN產(chǎn)品系列都符合QFN9X9的封裝，并且引腳pin2pin兼容。

MasterGaN 內(nèi)部框圖如上圖所示。大概可以將MasterGaN 分為三個功能模塊。最左邊藍(lán)色的區(qū)域就是我們剛剛提到的實(shí)現(xiàn)過溫過壓以及互鎖功能的邏輯電路。中間黃色的這部分區(qū)域是我們的氮化鎵驅(qū)動電路。右邊的紅色的區(qū)域是我們的上管以及我們的下管氮化鎵。

目前使用ST-One搭配的MasterGaN產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了一個超高功率密度的解決方案。針對于USB PD充電器市場，使用該方案可以相較于傳統(tǒng)的充電器體積上縮小四倍，使用更少的機(jī)殼材料。

該方案會相較于傳統(tǒng)的充電器，它的效率更高。這也意味著在電網(wǎng)上帶來的損耗更小，更加節(jié)能。下圖是ST-One搭配MasterGaN 65W評估板的介紹。下圖左下角列出了板端的關(guān)鍵器件。分別由控制器ST-One、半橋氮化鎵器件MasterGaN2、以及同步整流MOSFET 和loadswitch MOSFET 的組成。評估板可以支持90V到264V交流電壓范圍輸入，頻率可支持范圍在47赫茲到63赫茲之間；同時滿足COCTier2以及DOE6級能效的要求。其已通過CISPR22B，即EN55022B的EMC標(biāo)準(zhǔn)，可支持的協(xié)議有USBPD、PPS、SCP、FCP和QC協(xié)議。

65W評估版的高壓滿載效率接近94%。四點(diǎn)平均效率也在COC Tier2 以及DOE標(biāo)準(zhǔn)之上。在115伏交流輸入的情況下。峰值效率可以做到92%以上，且四點(diǎn)平均效率也遠(yuǎn)高于COC及DOE的標(biāo)準(zhǔn)。