（來源：意法半導(dǎo)體）

增加功率密度和縮小電源供應(yīng)并不是什么新鮮事。這一趨勢預(yù)計將繼續(xù)下去，從而催生新的市場、應(yīng)用和產(chǎn)品。此博客向設(shè)計工程師介紹 STMicroelectronics (ST) 電源解決方案如何結(jié)合寬帶隙 (WBG) 技術(shù)來幫助推動設(shè)備小型化趨勢。

更高功率密度的重要性

更高的功率密度對于滿足各地不斷增長的能源需求以及市場對更小、更高效電源的持續(xù)需求至關(guān)重要。半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)法從標(biāo)準(zhǔn)硅基設(shè)備中獲得大量利用，并且硅基設(shè)備將繼續(xù)成為電源系統(tǒng)的重要組成部分。然而，寬帶隙半導(dǎo)體材料在實(shí)現(xiàn)最緊湊和高效的電源解決方案方面具有顯著優(yōu)勢。例如，氮化鎵 (GaN) 是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)并提高功率密度和微型化能力的強(qiáng)大解決方案。ST 在其創(chuàng)新的 MasterGaN 系列器件中使用了 GaN 技術(shù)。MasterGaN 可應(yīng)用于諧振 LLC 轉(zhuǎn)換器，以創(chuàng)建無散熱器的 250W 電源。

氮化鎵

作為寬帶隙半導(dǎo)體，GaN 功率場效應(yīng)晶體管具有更大的功率密度，可以在更高的電壓下工作，工作在更高的頻率下，并使更小的設(shè)備成為可能。將 GaN 與傳統(tǒng)硅 (Si) 半導(dǎo)體器件區(qū)分開來的關(guān)鍵現(xiàn)象是其更高的帶隙。帶隙是激發(fā)電子使其從價帶頂部跳到導(dǎo)帶底部所需的能量，電子可以在導(dǎo)帶底部用于電路。增加帶隙對該器件有重大影響。

GaN 等帶隙較大的材料可以承受更強(qiáng)的電場。這種穩(wěn)健性允許 GaN 在更高的電壓和更高的電子遷移率和飽和速度下運(yùn)行。這些關(guān)鍵屬性使 GaN 開關(guān)在與等效硅元件相同的電阻和擊穿電壓下速度提高了十倍并且尺寸明顯更小。GaN 功率 FET 以其遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅 MOSFET 能力的更高速度、效率和功率密度推動了電源工程。市場對更高效率和功率密度的需求正在推動 GaN 在緊湊型、便攜式和高功率應(yīng)用中的采用。強(qiáng)大的充電器是快速充電智能手機(jī)、平板電腦和移動應(yīng)用程序的關(guān)鍵增長領(lǐng)域。GaN 具有許多其他應(yīng)用，這些應(yīng)用將極大地受益于其功能，

使用 MasterGaN 解決設(shè)計挑戰(zhàn)

分立式 GaN 晶體管傳統(tǒng)上需要占用大量電路板空間的專用高壓半橋柵極驅(qū)動器。分立方法還在高度敏感的 GaN 柵極上引入了額外的電感和電容。MasterGaN 通過柵極驅(qū)動器與 GaN 晶體管的封裝級集成解決了這些設(shè)計挑戰(zhàn)。ST 的 MasterGaN 產(chǎn)品系列將高壓智能功率 BCD 工藝柵極驅(qū)動器與高壓 GaN 晶體管結(jié)合在一個封裝中。MasterGaN 系列具有三個關(guān)鍵屬性：緊湊性、穩(wěn)健性和易于設(shè)計。MasterGaN 由于其高功率密度而實(shí)現(xiàn)了緊湊性；它的大小是同類硅解決方案的 ?。MasterGaN 器件堅固耐用，包括針對 GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 優(yōu)化的離線驅(qū)動器。四方扁平無引線 (QFN) 封裝可將系統(tǒng)尺寸減小多達(dá) 70%，從而使充電器和適配器的重量減輕多達(dá) 80%。

通過利用 MasterGaN 的高集成度，可以創(chuàng)建無散熱器的 250W 緊湊型高效開關(guān)模式電源（圖 1). 該電源是減少電源設(shè)計空間的絕佳示例。該板設(shè)計為帶有兩個垂直子卡的主板。左邊的子卡是MASTERGAN1電路，右邊的子卡是副邊的同步整流電路。該設(shè)計包括短路、過載、掉電和過壓保護(hù)。該設(shè)計中的 ST L6599A 諧振 LLC 控制器以 160kHz 的頻率運(yùn)行，盡管該控制器的運(yùn)行頻率可以高達(dá) 700kHz，并且該設(shè)計具有帶 15V 輸出驅(qū)動的集成柵極驅(qū)動器。MasterGaN 完全兼容 L6599A，因?yàn)樗哂袑捿斎腚妷悍秶透哳l能力。該設(shè)計還包括一個 SRK2001 LLC 諧振控制器。當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)硅 MOSFET 結(jié)合使用時，

圖 1：MASTERGAN1 在諧振 LLC 轉(zhuǎn)換器中的實(shí)現(xiàn)（來源：STMicroelectronics）

在使用高性能開關(guān)模式電源進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計人員必須小心確保所有電源引腳都正確饋電和去耦。設(shè)計人員還需要確保正確配置控制信號，以充分發(fā)揮 GaN 的優(yōu)勢。

熱管理也很重要，ST 提供了一些優(yōu)化電路板布局以保持低溫運(yùn)行的技巧。MasterGAN 具有三組電源引腳：前端電源 (VCC)、浮動高側(cè)電源 (BOOT) 和低側(cè) (PVCC) 電源。請注意，低端和高端驅(qū)動器都是浮動的。結(jié)合集成電平轉(zhuǎn)換器，這些浮動電源通過使輸入信號對兩個接地連接時可能產(chǎn)生的電感噪聲耦合不敏感，從而有助于確保正確的柵極驅(qū)動。這三個電源都可以獨(dú)立供電，盡管在許多應(yīng)用中，高側(cè)驅(qū)動器可以由 VCC 通過集成的自舉二極管供電。該自舉結(jié)構(gòu)僅在低側(cè)導(dǎo)通時間期間導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)減少了中頻（典型值高達(dá) 400kHz）應(yīng)用中的元件數(shù)量。隨著開關(guān)速度的增加，考慮通過外部更高性能的自舉二極管供電。供應(yīng)源基礎(chǔ)知識顯示在（圖 2）。

圖 2：供應(yīng)來源基礎(chǔ)知識（來源：STMicroelectronics）

MasterGaN 輸入邏輯明確設(shè)計為盡可能簡單地驅(qū)動 GaN 晶體管。對于 MasterGaN，無論 VCC 值如何，輸入引腳的電壓上限均為 20V。此功能使 MasterGaN 與“面向 MOS 的”控制器一起使用變得容易，該控制器在 12V 或更高的典型 VCC 下運(yùn)行，如設(shè)計示例中的 L6599A 所示。這些閾值還允許 MasterGaN 連接到具有 3.3V 邏輯的微控制器，以實(shí)現(xiàn)您自己的自定義 SMPS 算法。將控制信號連接到 MasterGaN 時，只需確保它們已連接即可！可以在信號路徑中添加一個低通濾波器，以消除系統(tǒng)嘈雜時意外切換的風(fēng)險。MasterGaN 器件在內(nèi)部緩沖邏輯輸入（LIN、HIN、和 SD/OD）與具有準(zhǔn)確開啟/關(guān)閉閾值的施密特觸發(fā)器，以提高抗噪性并增加傳播延遲的可重復(fù)性。當(dāng)邏輯輸入為高阻抗時，MasterGaN 器件中的內(nèi)部下拉電阻器可避免未定義的電壓電平。

電源設(shè)計中的熱管理

熱管理是電源設(shè)計和電路板布局中最關(guān)鍵的方面之一。9mm x 9mm 雙扁平無引線 (DFN) 封裝具有三個必須焊接到電路板上的外露焊盤。頂殼的熱阻遠(yuǎn)高于底部裸露焊盤的熱阻。這種設(shè)計有助于通過 PCB 和覆銅區(qū)域散熱（圖 3）。

圖 3：電路板布局圖和顯示高溫區(qū)域的熱圖。（來源：意法半導(dǎo)體）

在 MasterGaN 電路上，載流 GAN 晶體管位于標(biāo)有 SENSE 和 OUT 的大焊盤下方。這些是封裝的熱關(guān)鍵位置。布置電路板時，請密切注意最大限度地排熱。OUT 連接到高側(cè)晶體管源極，而 SENSE 連接到低側(cè)晶體管源極。除了此處的EVLMG1-250LLC LLC演示板外，ST 還有其他評估平臺可幫助設(shè)計人員制作原型、測試和開發(fā)高性能電源。EVALMASTERGAN1 和 2 以及 EVLMG1-250WLLC 現(xiàn)已上市。

EVLMG1-250WLLC 評估板提供強(qiáng)大的效率和散熱結(jié)果。結(jié)果表明，當(dāng) MASTERGAN1 集成到 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中時，它為開發(fā)和理解開關(guān)特性提供了一個堅實(shí)的平臺（圖 4）。

圖 4：(a) EVLMG1-250WLLC 的效率與負(fù)載，(b) 熱圖。（來源：意法半導(dǎo)體）

結(jié)論

GaN 技術(shù)正在創(chuàng)造新一波具有更高功率密度和更高效率的功率轉(zhuǎn)換方法。ST 使用 GaN 開發(fā)尖端產(chǎn)品，通過我們高度集成的 MasterGaN 系列 GaN 半橋和集成柵極驅(qū)動器幫助工程師更高效地設(shè)計高級電源。遵循一些好的設(shè)計指南可以幫助設(shè)計人員最大限度地提高功率密度。

如需了解更多信息，請訪問STMicroelectronics MASTERGAN GaN 半橋高壓驅(qū)動器。

審核編輯：湯梓紅