使用宽带隙技术最大限度地提高高压转换器的功率密度

提高功率密度和缩小电源并不是什么新鲜事。预计这一趋势将持续下去，从而实现新的市场、应用和产品。这篇博客向设计工程师介绍了意法半导体（ST）的电源解决方案如何采用宽带隙（WBG）技术，帮助推动器件小型化趋势。

更高功率密度的重要性

更高的功率密度对于满足各地日益增长的能源需求以及市场对更小、更高效的电源的持续需求至关重要。半导体供应商已经成功地从标准硅基器件中获得了大量利用，硅基器件将继续成为电源系统的重要组成部分。然而，宽带隙半导体材料在实现最紧凑、最高效的电源解决方案方面具有巨大优势。例如，氮化镓 （GaN） 是应对这些挑战并提高功率密度和小型化能力的强大解决方案。意法半导体在其创新的MasterGaN系列器件中使用了GaN技术。MasterGaN 可应用于谐振 LLC 转换器，以创建无散热器的 250W 电源。

作为一种宽带隙半导体，氮化镓功率场效应管具有更高的功率密度，可以在更高的电压下工作，在更高的频率下工作，并支持更小的器件。氮化镓与传统硅（Si）半导体器件的区别在于其更高的带隙。带隙是激发电子使其从价带顶部跳到导带底部所需的能量，在那里它可以在电路中使用。增加带隙会对该器件产生重大影响。

像氮化镓这样具有较大带隙的材料可以承受更强的电场。这种鲁棒性使GaN能够在更高的电压和更高的电子迁移率和饱和速度下工作。这些关键属性使得氮化镓开关在相同的电阻和击穿电压下比同等硅元件快十倍，体积小得多。氮化镓功率场效应管（GaN power FET）以其更高的速度、效率和功率密度，远远超出了传统硅MOSFET的能力，从而引发了功率工程的发展。市场对更高效率和功率密度的需求正在推动氮化镓在紧凑、便携和高功率应用中的采用。强大的充电器是智能手机、平板电脑和移动应用快速充电的关键增长领域。氮化镓还有许多其他应用将极大地受益于其功能，例如电动汽车充电、电信和大功率服务器应用。

使用 MasterGaN 解决设计挑战

传统上，分立式氮化镓晶体管需要专用的高压半桥栅极驱动器，这占用了大量的电路板空间。分立式方法还在高灵敏度的GaN栅极上引入了额外的电感和电容。MasterGaN 通过栅极驱动器与GaN晶体管的封装级集成解决了这些设计挑战。意法半导体的MasterGaN产品系列在单个封装中集成了高压智能功率BCD工艺栅极驱动器和高压GaN晶体管。MasterGaN 系列具有三个关键属性：紧凑性、鲁棒性和易设计性。MasterGaN由于其高功率密度而实现了紧凑性;它的尺寸是同类硅溶液的 1/4。MasterGaN 器件坚固耐用，包括针对 GaN 高电子迁移率晶体管 （HEMT） 优化的离线驱动器。这种简单的设计是一种创新的解决方案，采用9mm x 9mm四方扁平无引线（QFN）封装，可将系统尺寸减小多达70%，使充电器和适配器的重量减轻多达80%。

通过利用 MasterGaN 的高集成度，可以创建无需散热器的 250W 紧凑、高效开关模式电源（ 图 1 ）。该电源是减少电源设计空间的一个很好的例子。该板被设计为具有两个垂直子卡的主板。左边的子卡是MASTERGAN1电路，右边的子卡是次级侧的同步整流电路。该设计包括短路、过载、欠压和过压保护。此设计中的 ST L6599A 谐振 LLC 控制器以 160kHz 的频率运行，但该控制器的运行频率高达 700kHz，并且该设计具有具有 15V 输出驱动的集成栅极驱动器。MasterGaN 具有宽输入电压范围和高频能力，因此与 L6599A 完全兼容。此设计还包括一个 SRK2001 LLC 谐振控制器。当与标准硅MOSFET结合使用时，该控制器通过降低输出损耗来帮助最大限度地提高电源效率。

• 图 1： MASTERGAN1谐振LLC转换器的实现（来源：STMicroelectronics）*

在设计高性能开关电源时，设计人员必须小心谨慎，确保所有电源引脚都正确馈电和去耦。设计人员还需要确保正确配置控制信号，以充分发挥氮化镓的优势。

热管理也是必不可少的，意法半导体提供了一些优化电路板布局的技巧，以保持运行凉爽。MasterGAN具有三组电源引脚：前端电源（VCC）、浮动高端电源（BOOT）和低侧（PVCC）电源。请注意，低侧和高侧驱动器都是浮动的。这些浮动电源与集成电平转换器相结合，使输入信号对两个接地连接时产生的电感噪声耦合不敏感，从而有助于确保正确的栅极驱动。这三个电源都可以独立供电，但在许多应用中，高侧驱动器可以由VCC通过集成的自举二极管供电。此自举结构仅在低侧导通时间内导通。这种结构减少了中频（典型值高达400kHz）应用中的元件数量。随着开关速度的提高，可以考虑通过外部更高性能的自举二极管供电。电源基础知识如图2所示。

• 图 2： 电源基础（来源：STMicroelectronics）*

MasterGaN 输入逻辑经过专门设计，旨在使 GaN 晶体管的驱动尽可能简单。对于MasterGaN，无论VCC值如何，输入引脚的电压上限均为20V。此功能使得MasterGaN与“面向MOS”的控制器配合使用变得容易，该控制器在12V或更高的典型VCC下工作，如设计示例中的L6599A所示。这些阈值还允许将 MasterGaN 连接到具有 3.3V 逻辑的微控制器，以实现您自己的自定义 SMPS 算法。将控制信号连接到 MasterGaN 时，除了确保它们已连接外，没有什么比这更重要的了！可以在信号路径上添加一个低通滤波器，以消除系统噪声时意外切换的风险。MasterGaN 器件在内部通过施密特触发器缓冲逻辑输入（LIN、HIN 和 SD/OD），具有精确的导通/关断阈值，以提高抗噪能力并增加传播延迟的可重复性。当逻辑输入为高阻抗时，MasterGaN 器件中的内部下拉电阻器可避免未定义的电压电平。

电源设计中的热管理

热管理是电源设计和电路板布局中最关键的方面之一。9mm x 9mm双扁平无引线（DFN）封装具有三个裸露焊盘，必须焊接到电路板上。顶壳的热阻远高于底部裸露焊盘的热阻。这种设计有助于通过 PCB 和铜浇注区域去除热量（ 图 3 ）。

• 图3： 电路板布局图示和显示高温区域的热图。（来源：STMicroelectronics）*

在 MasterGaN 电路上，载流 GAN 晶体管位于标有 SENSE 和 OUT 的大焊盘下方。这些是封装的热关键位置。在铺设电路板时，要密切注意最大限度地散热。OUT连接到高侧晶体管源极，而SENSE连接到低侧晶体管源极。除了EVLMG1-250LLC LLC演示板外，意法半导体还有其他评估平台，可帮助设计人员进行原型设计、测试和开发高性能电源。EVALMASTERGAN1 和 2 以及 EVLMG1-250WLLC 现已上市。

EVLMG1-250WLLC 评估板提供强大的效率和散热效果。结果表明，当集成到LLC谐振转换器中时，开发和理解MASTERGAN1开关特性是一个坚实的平台（ 图4 ）。

图 4： （a） EVLMG1-250WLLC 的效率与负载的关系，（b） 热图。（来源：STMicroelectronics）

结论

氮化镓技术正在掀起一股新浪潮，具有更高的功率密度和更高的效率。意法半导体使用氮化镓开发尖端产品，通过我们高度集成的MasterGaN系列氮化镓半桥，集成栅极驱动器，帮助工程师更高效地设计先进的电源。遵循一些良好的设计准则可以帮助设计人员最大限度地提高功率密度。

审核编辑 黄宇