分享一种MasterGaN所采用的集成驱动方案

文章重点：

1.提高充电器的效率和功率密度是大势所趋

2.ST-ONE所采用的ACF拓扑有助于提高效率和功率密度，是快充产品的最佳选择

3.MasterGaN为代表的氮化镓技术推动功率转换实现了飞跃，必将引领新的潮流。

ST市场独有的MasterGaN平台将我们的高压智能功率BCD工艺与氮化镓技术相结合，是世界上第一款在QFN9x9的封装内带有两个氮化镓高电子迁移率晶体管和半桥栅极驱动器的功率器件；丰富的保护功能保证芯片的可靠性。同时设计人员不必再关心氮化镓驱动的复杂性，就能享受氮化镓技术的好处，增强应用的可靠性性，加快了高功率密度及高效率电源产品的开发。  

 

 这些年，以碳化硅，氮化镓为首的第三代半导体被大家广泛的讨论并应用在新的产品中，大有取代传统硅基晶体管的趋势。相较于传统硅半导体，氮化镓具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，适合应用于高温，高频，抗辐射的场合。氮化镓晶体管对比硅晶体管，具有更低的结电容，栅极电荷，意味着开关损耗和驱动损耗更小，更低的反向恢复电荷使得氮化镓更适合用于高频的场合。但同时，由于氮化镓的栅极电压阈值范围更小，所以对驱动电路和PCB布局的要求更高。而且，由于氮化镓晶体管的反向导通压降比硅管的体二极管更高，所以需要更好的控制死区时间来提高效率。  

目前市场上的氮化镓器件普遍有两种方案，一种是分立方案，类似传统的硅MOS；另一种就是MasterGaN所采用的集成驱动的方案。那么，为什么要采用集成驱动的方案呢？由于目前市场上主流的E-MODE氮化镓晶体管的栅极开通门槛电压Vgsth比较低，通常为1.2V左右，这样在关断时很容易因为高的dV/dt和驱动回路里的杂散电感造成栅极振铃并导致管子误开通，在半桥结构的拓扑里，这是会造成严重失效的故障。而集成驱动的方案由于其极低的杂散电感，可以很好的解决这个问题。同时，电源回路里的杂散电感降低，还可以降低Vds电压峰值，减小开关损耗，改善EMI性能。  

总而言之，氮化镓与驱动集成的方案，

1.由于优化了栅极驱动布局，效率很高，

2.由于寄生效应最小，可增加开关频率，提高了功率密度

3.采用紧凑的单芯片解决方案，简化了设计。

  【图为：集成GaN晶体管和驱动器的优势】  

氮化镓技术使工业应用的电源能够处理更多的功率，即使它们变得更小、更轻、更节能。同时为智能手机快充和无线充电器、PC和笔记本电脑用USB-PD适配器带来重大改变。今天的数据中心占世界能源使用量的2%。MasterGaN平台使电源更高效，功率密度更高，大大降低了拥有成本，节约了地球资源。  

MASTERGAN平台首发的五款产品现已全部实现大规模量产。如下图所示：它们分别是上下管非对称半桥结构的MASTERGAN2和3，非常适合用于有源钳位反激拓扑。上下管为对称半桥结构的MasterGaN1/4/5，Rdson从150毫欧至450毫欧不等，最大可支持400W应用，通常用于LLC和ACF拓扑。全部的五款产品都是pin to pin的，可以轻松相互替换。  

【图为：MASTERGAN平台首发的五款产品】  

 

下面简要介绍一下应用ST-ONE和MasterGaN2的65W USB-PD快充电源解决方案。

 上图左上角就是应用ST-ONE+MasterGaN方案，它使用了平面变压器的65W PD电源demo板。关键器件包括主控制器ST-ONE，原边开关管MasterGaN2,和副边100V的同步整流管STL90N10F7。该电源支持90-264V的全电压输入，5-20V输出，最大输出功率65W，满足欧盟和美国最新的能效要求。借助ST-ONE和MasterGaN2两颗高集成度的芯片，实现了大于30W/inch3的功率密度，并且空间布局非常宽松。  

  Demo板的主电路部分如上图所示，整个电路包括PCB布局非常简洁，一目了然。可以看到整个电源内部空间非常富余，功率密度还有进一步提升的空间。  

 MasterGaN2是一颗耐压650V，下管导通阻抗150mohm，上管导通阻抗225mohm的氮化镓芯片。并且内部集成了丰富的保护，包括上下管的互锁功能，这在半桥架构中非常有用，可以有效避免上下管直通造成的失效。同时3.3-15V的PWM输入扩展范围，可轻松支持数字控制方案。ST-ONE同样也是支持多工作模式的，根据不同的输入和负载条件，ACF拓扑会工作在不同模式。从满载到轻载分别工作在正常模式，跳谷底模式，以及间歇工作模式，这样的工作模式有助于提高轻载效率。  

ST-ONE+ MasterGaN是适用于高功率密度USB-PD充电器的最佳解决方案，可以将充电器的尺寸减少4倍，相当于减少200万吨的物料浪费。同时效率高达94%，节省的能源相当于三座核电站的年发电量。

【图为：更多采用MasterGaN的电源解决方案供各位参考，具体产品资料和评估板可在意法半导体官网获取】

 

 

审核编辑：刘清