ST發布了市場首個也是體管唯一的單封裝集成600 V柵極驅動器和兩個加強版氮化鎵(GaN)晶體管的MASTERGAN1。同類競品只提供一顆GaN晶體管，訴答而ST決定增加一顆GaN，選擇實現半橋配置，體管并允許將MASTERGAN1用于新拓撲。訴答在設計AC-DC變換系統時，選擇工程師可以將其用于LLC諧振變換器。體管新器件還將適用于其它常見的訴答高能效和高端拓撲，例如，選擇有源鉗位反激或正激變換器，體管還解決了更高額定功率和圖騰柱PFC的訴答設計問題。
新器件具有高度象征意義，選擇因為它讓GaN晶體管在大眾化的體管產品中普及變得更容易。電信設備或數據中心的訴答電源是最早使用這些功率器件的工業應用。現在有了MASTERGAN1，工程師可以設計能效更高的手機超級快充充電器、USB-PD適配器和其它電源產品。
為什么要在手機電源中采用GaN?
許多消費者沒有意識到一個現象，近年來，智能手機、平板電腦或筆記本電腦的充電器的輸出功率呈指數增長。廠商面臨一個難題，電池容量基本保持不變，或多或少與材料設計沒有取得實質突破有關，在無法擴大電池容量的情況下，移動設備只能提高充電速度。借助USB Power Delivery (USB-PD)和快充技術，讓十分鐘內充電50%成為可能，這是因為現在充電器在某些情況下能夠輸出高達100 W的功率。但是，為了使充電器整體尺寸接近當前常規尺寸，系統需要高開關頻率。
目前帶GaN晶體管的充電器并不是到處都能買到，因為設計這類產品還是一個巨大的挑戰。以一家中等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管使用GaN設計產品，而這通常不是一個容易的過程。因此，幫助決策者了解這項技術是必不可少的。在這名工程師的項目方案獲準后，設計GaN產品PCB板也絕非易事，雖然開發一塊普通的PCB通常不難。此外，部署適當的安全保護措施也非常重要。MASTERGAN1的重大意義在于其能夠解決所有這些問題，并使GaN技術普及到更多的應用領域。
MASTERGAN1: 認識GaN
GaN的電特性
EVALMASTERGAN1
當市場開始要求小尺寸產品能夠處理大功率時，GaN因其固有特性而大放異彩。GaN材料本身并不新鮮。我們從90年代開始用GaN制造LED，從2000年開始在藍光激光頭中使用GaN。今天，設計者能夠在硅晶片上添加GaN薄層，制造出具有獨一無二特性的晶體管。GaN的帶隙為3.39 eV，遠高于硅(1.1 eV)和碳化硅(2.86 eV)，因此，臨界場強也比后者高出許多，這意味著在高頻開關時GaN的能效更高。
高帶隙是支撐這些特性的根基，高帶隙的根源是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高(1,700 cm2/Vs)，因此，電子的運動速率更高，而能量損耗更低。因此，當開關頻率高于200 kHz時，使用GaN的應用的能效更高。GaN可以使系統更小巧，更經濟劃算。
EVALMASTERGAN：眼見為實
盡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晶體管并不是什么新鮮事物，但在量產電源中使用它仍然是特立獨行。用EVALMASTERGAN1板展示GaN和MASTERGAN1的功能簡單很多。演示一個實物平臺會使項目方案變得更切實可行，并能看到單封裝放在電源中是什么樣子，甚至還可以按照自己的需求靈活修改板子，添加一個低邊分壓電阻或一個外部自舉二極管，使其更接近最終設計。演示支持各種電源電壓也變得更加容易。此外，還可以使用MASTERGAN1的所有引腳，幫助開發人員及早測試應用設計。
MASTERGAN1: 用GaN設計
降低設計復雜度
MASTERGAN1
從概念驗證到定制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大。如果PCB上走線太長，會引發寄生電感的問題。對于半橋電源變換器，集成兩個GaN晶體管很重要，而大多數競品僅提供一個GaN晶體管。MASTERGAN1之所以獨一無二，是因為它是當今唯一集成兩個GaN晶體管的電源解決方案。因此，工程師不必處理與這類應用相關的復雜的驅動問題。同樣，特殊的GaN技術和優化的柵極驅動器使系統不需要負電壓電源。MASTERGAN1還具有兼容20 V信號的輸入引腳。因此，工程師可以將其與現有和即將推出的各種控制器配合使用。
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，該系列今后幾個月還計劃推出引腳兼容的新產品。因此，更換MASTERGAN家族產品將更加容易，使用基于MASTERGAN1的PCB開發新設計將會更加簡單。最后，能夠更快地設計出更小的PCB可以節省大量成本。隨著制造商力爭開發更經濟的解決方案，MASTERGAN1有助于使設計變得更經濟劃算，這也是為什么我們已經贏得客戶訂單的原因。
提高可靠性
設計可靠性是工程師面臨的另一個重大挑戰。一個爆炸的充電器會成為社交媒體的眾矢之的。可靠性不高的系統會對客戶服務運營造成重大壓力。但是，部署安全功能遠不是那么簡單。在采用GaN半橋拓撲時，必須避免兩個開關管同時導通。因此，MASTERGAN1集成了互鎖功能和精確匹配的傳輸延遲，以及差分導通和關斷柵極電流。這些功能可以實現精確、高效的開關操作。最后，我們為加強版GaN FET管設計了MASTERGAN1柵極驅動器，從而提高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工作時能效嚴重降低和潛在問題。同樣，集成的熱關斷功能可防止器件過熱。柵極驅動器的電平轉換器和高效輸入緩沖功能給GaN柵極驅動器帶來非常好的魯棒性和抗噪性。最后，關閉引腳允許通過MCU的專用引腳將功率開關設為空閑模式。
