意法半導體MasterGaN產品系列和解決方案介紹

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

電源的高功率密度及小型化的趨勢已經持續了幾十年，預計將繼續強勁增長，并在更多的市場應用中出現。氮化鎵這樣的寬禁帶器件極大的加速了高壓功率轉換應用的小型化和效率的提升。ACDC適配器領域。氮化鎵的出鏡率已經非常之高。我們看到了在移動設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預測，從2025年到2028年，氮化鎵設備的出貨量將以30%的復合年增長率增長。

氮化鎵器件的采用已經實現了智能手機以及我們個人電腦的超高速充電的應用。有些優秀的企業已經將智能手機的充電時間縮短到10分鐘以內。如今，數據中心占世界能源消耗的2%。氮化鎵平臺能夠實現更高效、更高功率密度的電源供應，大大降低了擁有成本，節約了地球資源。就像電力電子的理想模型一樣，氮化鎵技術使工業應用的電源能夠處理更多的電力，使它們變得更小、更輕、更節能。

那么是什么讓氮化鎵如此特殊？大家都知道，氮化鎵相對于傳統硅器件，具有更高的代隙。帶隙是電子從價帶頂部躍遷到導帶底部所需要的能量。氮化鎵可以承受更強的電場，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?？偠灾?，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頻率下，以更高的效率運行電源，從而使我們能夠使用更小的磁性器件和更好的冷卻方案。

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

由于快速充電器技術的高使用率，氮化鎵在2020年和2021年飛速發展。氮化鎵技術使得智能手機、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頻率。高開關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。意法半導體的MasterGaN產品是世界上第一個將硅驅動器及兩顆氮化鎵功率器件集成在一個封裝中的半橋結構的解決方案。這也推動了電力轉換領域的新浪潮。

MasterGaN內部集成了兩顆氮化鎵功率管以及柵極驅動器，可以由內部自舉二極管輕松實現供電。上下管的驅動部分都設有過壓，保護、過溫保護，防止MasterGaN在低效率以及各種危險的情況下運行。除了各種保護功能之外，MasterGaN 的上下管還有護鎖功能。

這樣就可以有效避免半橋結構在某些特殊情況下發生上下管直通的風險。簡化了工程師對芯片的風險考慮，并且使得芯片的穩定性更好。MasterGaN采用QFN9x9封裝。輸入引腳擴展范圍從負的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。芯片設有專用的使能引腳，可以輕輕松實現power up 和power down 的功能。這樣集成了功率管和驅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化三級layout的布局，使得電路更加高效。

最小化寄生參數可以使器件工作在更高的開關頻率，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，意法半導體正在量產的MasterGaN產品共有5款。從下圖可以清晰的看到各個部件的內阻參數以及可覆蓋的功率范圍。

其中，MasterGaN2和MasterGaN3為非對稱結構。適用于ACF及非對稱半橋的拓撲。MasterGaN1 MasterGaN4以及MasterGaN5 為對稱結構適用于各種LLC、ACF以及AHB等top。所有MasterGaN產品系列都符合QFN9X9的封裝，并且引腳pin2pin兼容。

MasterGaN 內部框圖如上圖所示。大概可以將MasterGaN 分為三個功能模塊。最左邊藍色的區域就是我們剛剛提到的實現過溫過壓以及互鎖功能的邏輯電路。中間黃色的這部分區域是我們的氮化鎵驅動電路。右邊的紅色的區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產品，實現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的充電器體積上縮小四倍，使用更少的機殼材料。

該方案會相較于傳統的充電器，它的效率更高。這也意味著在電網上帶來的損耗更小，更加節能。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標準，可支持的協議有USBPD、PPS、SCP、FCP和QC協議。

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