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）

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）

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）

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。