帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
為什麼選擇GaN電晶體?MasterGaN1告訴你答案
 

【作者: 意法半導體】   2020年10月27日 星期二

瀏覽人次:【662】
  

意法半導體(ST)推出了市面上首個也是唯一的單封裝整合600 V閘極驅動器和兩個加強版氮化鎵(GaN)電晶體的MasterGaN1。同類競品只提供一顆GaN電晶體,而ST決定增加一顆GaN,實現半橋配置,並可讓MasterGaN1用於新拓撲。在設計AC-DC轉換系統時,工程師可以將其用於LLC諧振變換器。新元件還將適用於其它常見的高效能和高階拓撲,例如,有源鉗位反激或正激轉換器,還解決了更高額定功率和圖騰柱PFC的設計問題。



圖一 : MasterGaN1的獨特性在於整合兩個GaN電晶體的電源解決方案。(source:ST)
圖一 : MasterGaN1的獨特性在於整合兩個GaN電晶體的電源解決方案。(source:ST)

新元件具有高度象徵意義,因為它讓GaN電晶體在大眾化的產品中可以變得更為普及。電信設備或資料中心的電源是最早使用這些功率元件的工業應用。現在有了MasterGaN1,工程師可以為手機設計出效能更高的超級快充充電器、USB-PD充電器和其它電源產品。


為什麼要在手機電源中採用GaN?

許多消費者沒有意識到一個現象,近年來,智慧型手機、平板電腦或筆記型電腦的充電器輸出功率呈指數成長。廠商面臨一個挑戰,即電池容量保持不變,或多或少與材料設計並未出現實質突破相關,在無法擴大電池容量的情況下,行動裝置只能仰賴提升充電速度。藉由USB Power Delivery (USB-PD)和快充技術,讓十分鐘內充飽50%電力的目標成為可能,這是因為現在的充電器在某些情況下能夠輸出高達100W的功率。但是,為了使充電器整體大小接近常規尺寸,系統需要高開關頻率。


目前具備GaN電晶體的充電器並不是隨手可得,因為設計這類產品仍舊是一個巨大的挑戰。以一家中型規模或大型企業的一名普通工程師為例,首先他會遇到一個簡單的文化挑戰,即如何說服經理和高階主管採用GaN來設計產品,而這通常不是一個容易的過程。因此,必須協助決策者瞭解這是一項不可或缺的技術。在這名工程師的提案獲准後,雖然開發一塊普通的PCB部不困難,但設計GaN產品PCB板也絕非易事。此外,部署適當的安全保護措施也非常重要。MasterGaN1的重大意義在於其能夠解決所有這些問題,並使GaN技術普及到更多應用領域。


MasterGaN1:認識GaN

GaN的電特性


圖二 : EVALMASTERGAN1(source:ST)
圖二 : EVALMASTERGAN1(source:ST)

當市場開始要求小尺寸產品能夠處理大功率時,GaN因其特性而大放異彩。GaN材料本身並非剛問世的產品。ST從90年代開始用GaN製造LED,從2000年開始在藍光雷射頭中使用GaN。現今設計者能夠在矽晶片上添加GaN薄層,製造出具有獨一無二特性的電晶體。GaN的能隙為3.39 eV,遠高於矽(1.1 eV)和碳化矽(2.86 eV),因此,臨界場強也比後者高出許多,這意味著在高頻開關時GaN的效能更高。


高能隙是支撐這些特性的根基,高能隙的根源是GaN的分子結構。鎵本身是一個導電性非常差的導體。但是,當氮原子打亂鎵晶格時,結構電子遷移率大幅提升(1,700 cm2/Vs),因此,電子的動作速率更高,而能量損耗更低。當開關頻率高於200kHz時,使用GaN的應用的效能將更高。GaN可以讓系統更小,而且更經濟。


EVALMASTERGAN:眼見為憑

儘管工程師掌握了所有這些理論知識,仍可能很難說服決策者。雖然GaN電晶體並不是新鮮的事物,但在量產電源中使用它仍然是特立獨行。使用EVALMASTERGAN1板展示GaN和MasterGaN1的功能簡單很多。展示一個實體平台會使專案變得更加可行,還能看到單封裝放在電源中是什麼樣子,甚至還可以依照自己的需求彈性地修改板子,增加一個低邊分壓電阻或一個外部自舉二極體,使其更接近最終設計。展示支援各種電源電壓也變得更加容易。此外,還可以使用MasterGaN1的所有腳位,協助開發人員及早測試應用設計。


MasterGaN1:使用GaN設計

降低設計複雜度

圖三 : MASTERGAN1(source:ST)
圖三 : MASTERGAN1(source:ST)

從概念驗證到客製化設計可能會充滿挑戰。評估板的原理圖是一個很好的起點,但是,高頻開關應用設計難度很高。如果PCB上走線太長,會引發寄生電感的問題。對於半橋電源轉換器,整合兩個GaN電晶體很重要,而大多數競品僅提供一個GaN電晶體。MasterGaN1的獨特性在於它是當今唯一整合兩個GaN電晶體的電源解決方案。因此,工程師不必處理與這類應用相關的複雜的驅動問題。同樣,特殊的GaN技術和優化的閘極驅動器使系統不需要負電壓電源。MasterGaN1還具有相容20 V訊號的輸入腳位。因此,工程師可以將其與現有和即將推出的各種控制器搭配使用。


工程師還必須著手解決尺寸限制這一重要問題。手機充電器必須保持小巧的設計。因此,MasterGaN1封裝的尺寸僅為9 mm x 9 mm,這是一個很大的優勢。此外,該系列今後幾個月還計畫推出腳位相容的新產品,將讓使用MasterGaN1的PCB開發新設計變得更加簡單。最後,更快地設計出更小的PCB可以節省大量成本。隨著製造商力爭開發更經濟的解決方案,MasterGaN1有助於使設計變得更經濟。


提升可靠性

設計可靠性是工程師面臨的另一個重大挑戰。一個會爆炸的充電器會成為社群媒體的眾矢之的。可靠性不高的系統會為客戶服務造成重大壓力。但是,部署安全功能遠不是那麼簡單。在採用GaN半橋拓撲時,必須避免兩個開關管同時導通。因此,MasterGaN1整合了互鎖功能和精確配對的傳輸延遲,以及差分導通和關斷閘極電流。這些功能可以帶來精確、高效的開關操作。ST為加強版GaN FET二極體設計了MasterGaN1閘極驅動器,進而提升了系統性能和可靠性。


針對GaN FET優化的欠壓鎖定(UVLO)保護可防止在低電源電壓下運作時效能嚴重降低和潛在問題。同樣,整合的熱關斷功能可防止器件過熱。閘極驅動器的電平轉換器和高效輸入緩衝功能為GaN閘極驅動器帶來非常好的穩定性和抗噪性。最後,關閉腳位可透過微控制器的專用腳位將功率開關設為空閒模式。


相關文章
打造更美好的人工智慧晶片
邏輯元件製程技術藍圖概覽(上)
ST解決方案陸續問世 深化工業控制產品佈局
物聯網系統連網晶片組或模組:破解難題
零交叉偵測 IC可大幅降低生活家電待機功耗
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
Platform Manager Devices
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
Power Manager II Hercules Development Kit
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
Processor PM Development Kit
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
  相關新聞
» 國研院與Arm簽訂AI矽智財學研專案 推動IC設計創新成效
» ST推動LaSAR生態聯盟 加速AR眼鏡應用開發
» ISSCC 2021國際固態電路研討會線上舉辦 台灣產研論文再創佳績
» ST感測技術多樣化 最大優化三星Galaxy Note20 Ultra影像性能
» ST與三墾聯手 開發高壓工業應用和車用智慧功率模組
  相關產品
» ST推出多應用、確定性車規級MCU功能 提升域/區域架構安全
» ST推出雙核無線MCU新產品線 支援BLE 5.0、Zigbee 3.0和Thread
» ST全新多合一多區ToF感測器模組 實現64倍測距區的性能升級
» 簡化超低功耗裝置GUI設計 ST推出STM32 Nucleo Shield板卡
» ST全新Bluetooth 5.2認證系統晶片 超低功耗可減半電池容量
  相關資源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2020 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw