使用寬帶隙技術最大限度地提高高壓轉換器的功率密度

提高功率密度和縮小電源并不是什么新鮮事。預計這一趨勢將持續下去，從而實現新的市場、應用和產品。這篇博客向設計工程師介紹了意法半導體（ST）的電源解決方案如何采用寬帶隙（WBG）技術，幫助推動器件小型化趨勢。

更高功率密度的重要性

更高的功率密度對于滿足各地日益增長的能源需求以及市場對更小、更高效的電源的持續需求至關重要。半導體供應商已經成功地從標準硅基器件中獲得了大量利用，硅基器件將繼續成為電源系統的重要組成部分。然而，寬帶隙半導體材料在實現最緊湊、最高效的電源解決方案方面具有巨大優勢。例如，氮化鎵 （GaN） 是應對這些挑戰并提高功率密度和小型化能力的強大解決方案。意法半導體在其創新的MasterGaN系列器件中使用了GaN技術。MasterGaN 可應用于諧振 LLC 轉換器，以創建無散熱器的 250W 電源。

作為一種寬帶隙半導體，氮化鎵功率場效應管具有更高的功率密度，可以在更高的電壓下工作，在更高的頻率下工作，并支持更小的器件。氮化鎵與傳統硅（Si）半導體器件的區別在于其更高的帶隙。帶隙是激發電子使其從價帶頂部跳到導帶底部所需的能量，在那里它可以在電路中使用。增加帶隙會對該器件產生重大影響。

像氮化鎵這樣具有較大帶隙的材料可以承受更強的電場。這種魯棒性使GaN能夠在更高的電壓和更高的電子遷移率和飽和速度下工作。這些關鍵屬性使得氮化鎵開關在相同的電阻和擊穿電壓下比同等硅元件快十倍，體積小得多。氮化鎵功率場效應管（GaN power FET）以其更高的速度、效率和功率密度，遠遠超出了傳統硅MOSFET的能力，從而引發了功率工程的發展。市場對更高效率和功率密度的需求正在推動氮化鎵在緊湊、便攜和高功率應用中的采用。強大的充電器是智能手機、平板電腦和移動應用快速充電的關鍵增長領域。氮化鎵還有許多其他應用將極大地受益于其功能，例如電動汽車充電、電信和大功率服務器應用。

使用 MasterGaN 解決設計挑戰

傳統上，分立式氮化鎵晶體管需要專用的高壓半橋柵極驅動器，這占用了大量的電路板空間。分立式方法還在高靈敏度的GaN柵極上引入了額外的電感和電容。MasterGaN 通過柵極驅動器與GaN晶體管的封裝級集成解決了這些設計挑戰。意法半導體的MasterGaN產品系列在單個封裝中集成了高壓智能功率BCD工藝柵極驅動器和高壓GaN晶體管。MasterGaN 系列具有三個關鍵屬性：緊湊性、魯棒性和易設計性。MasterGaN由于其高功率密度而實現了緊湊性;它的尺寸是同類硅溶液的 1/4。MasterGaN 器件堅固耐用，包括針對 GaN 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 優化的離線驅動器。這種簡單的設計是一種創新的解決方案，采用9mm x 9mm四方扁平無引線（QFN）封裝，可將系統尺寸減小多達70%，使充電器和適配器的重量減輕多達80%。

通過利用 MasterGaN 的高集成度，可以創建無需散熱器的 250W 緊湊、高效開關模式電源（ 圖 1 ）。該電源是減少電源設計空間的一個很好的例子。該板被設計為具有兩個垂直子卡的主板。左邊的子卡是MASTERGAN1電路，右邊的子卡是次級側的同步整流電路。該設計包括短路、過載、欠壓和過壓保護。此設計中的 ST L6599A 諧振 LLC 控制器以 160kHz 的頻率運行，但該控制器的運行頻率高達 700kHz，并且該設計具有具有 15V 輸出驅動的集成柵極驅動器。MasterGaN 具有寬輸入電壓范圍和高頻能力，因此與 L6599A 完全兼容。此設計還包括一個 SRK2001 LLC 諧振控制器。當與標準硅MOSFET結合使用時，該控制器通過降低輸出損耗來幫助最大限度地提高電源效率。

• 圖 1： MASTERGAN1諧振LLC轉換器的實現（來源：STMicroelectronics）*

在設計高性能開關電源時，設計人員必須小心謹慎，確保所有電源引腳都正確饋電和去耦。設計人員還需要確保正確配置控制信號，以充分發揮氮化鎵的優勢。

熱管理也是必不可少的，意法半導體提供了一些優化電路板布局的技巧，以保持運行涼爽。MasterGAN具有三組電源引腳：前端電源（VCC）、浮動高端電源（BOOT）和低側（PVCC）電源。請注意，低側和高側驅動器都是浮動的。這些浮動電源與集成電平轉換器相結合，使輸入信號對兩個接地連接時產生的電感噪聲耦合不敏感，從而有助于確保正確的柵極驅動。這三個電源都可以獨立供電，但在許多應用中，高側驅動器可以由VCC通過集成的自舉二極管供電。此自舉結構僅在低側導通時間內導通。這種結構減少了中頻（典型值高達400kHz）應用中的元件數量。隨著開關速度的提高，可以考慮通過外部更高性能的自舉二極管供電。電源基礎知識如圖2所示。

• 圖 2： 電源基礎（來源：STMicroelectronics）*

MasterGaN 輸入邏輯經過專門設計，旨在使 GaN 晶體管的驅動盡可能簡單。對于MasterGaN，無論VCC值如何，輸入引腳的電壓上限均為20V。此功能使得MasterGaN與“面向MOS”的控制器配合使用變得容易，該控制器在12V或更高的典型VCC下工作，如設計示例中的L6599A所示。這些閾值還允許將 MasterGaN 連接到具有 3.3V 邏輯的微控制器，以實現您自己的自定義 SMPS 算法。將控制信號連接到 MasterGaN 時，除了確保它們已連接外，沒有什么比這更重要的了！可以在信號路徑上添加一個低通濾波器，以消除系統噪聲時意外切換的風險。MasterGaN 器件在內部通過施密特觸發器緩沖邏輯輸入（LIN、HIN 和 SD/OD），具有精確的導通/關斷閾值，以提高抗噪能力并增加傳播延遲的可重復性。當邏輯輸入為高阻抗時，MasterGaN 器件中的內部下拉電阻器可避免未定義的電壓電平。

電源設計中的熱管理

熱管理是電源設計和電路板布局中最關鍵的方面之一。9mm x 9mm雙扁平無引線（DFN）封裝具有三個裸露焊盤，必須焊接到電路板上。頂殼的熱阻遠高于底部裸露焊盤的熱阻。這種設計有助于通過 PCB 和銅澆注區域去除熱量（ 圖 3 ）。

• 圖3： 電路板布局圖示和顯示高溫區域的熱圖。（來源：STMicroelectronics）*

在 MasterGaN 電路上，載流 GAN 晶體管位于標有 SENSE 和 OUT 的大焊盤下方。這些是封裝的熱關鍵位置。在鋪設電路板時，要密切注意最大限度地散熱。OUT連接到高側晶體管源極，而SENSE連接到低側晶體管源極。除了EVLMG1-250LLC LLC演示板外，意法半導體還有其他評估平臺，可幫助設計人員進行原型設計、測試和開發高性能電源。EVALMASTERGAN1 和 2 以及 EVLMG1-250WLLC 現已上市。

EVLMG1-250WLLC 評估板提供強大的效率和散熱效果。結果表明，當集成到LLC諧振轉換器中時，開發和理解MASTERGAN1開關特性是一個堅實的平臺（ 圖4 ）。

圖 4： （a） EVLMG1-250WLLC 的效率與負載的關系，（b） 熱圖。（來源：STMicroelectronics）

結論

氮化鎵技術正在掀起一股新浪潮，具有更高的功率密度和更高的效率。意法半導體使用氮化鎵開發尖端產品，通過我們高度集成的MasterGaN系列氮化鎵半橋，集成柵極驅動器，幫助工程師更高效地設計先進的電源。遵循一些良好的設計準則可以幫助設計人員最大限度地提高功率密度。

審核編輯 黃宇