使用單個(gè) PWM 信號(hào)控制 GaN 半橋功率級(jí)

分立氮化鎵 (GaN) FET 的興起增加了對(duì)更用戶友好界面的需求，同時(shí)也提高了效率。半橋 GaN 功率級(jí)（例如LMG5200）具有用于高低 GaN FET 的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)輸入。兩個(gè)輸入（圖 1 中的引腳 4 和 5）使我們能夠優(yōu)化效率，因?yàn)槲覀?span>可以調(diào)整每個(gè) FET 開(kāi)啟和關(guān)閉的確切點(diǎn)。

LMG5200器件是一個(gè)80-V、10-A驅(qū)動(dòng)器加上氮化鎵半橋功率級(jí)，提供了一種使用增強(qiáng)型氮化鎵（氮化鎵）場(chǎng)效應(yīng)晶體管的集成功率級(jí)解決方案。該器件由兩個(gè)80伏氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管組成，由一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)的高頻氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有接近零的反向恢復(fù)和非常小的輸入電容C-ISS，為功率轉(zhuǎn)換提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。所有器件均安裝在完全無(wú)引線的封裝平臺(tái)上，封裝寄生元件最小化。LMG5200器件采用6mm×8mm×2mm無(wú)鉛封裝，可輕松安裝在PCB上。
TTL邏輯兼容輸入可承受高達(dá)12 V的輸入電壓，無(wú)論VCC電壓如何。專(zhuān)有的自舉電壓箝位技術(shù)確保增強(qiáng)型氮化鎵FET的柵極電壓在安全工作范圍內(nèi)。

圖 1：LMG5200 GaN 半橋功率級(jí)圖

但是這個(gè)選項(xiàng)也伴隨著責(zé)任。為了防止在 FET 之間切換期間發(fā)生擊穿，我們必須在一個(gè) FET 的關(guān)閉和另一個(gè) FET 的開(kāi)啟之間提供一個(gè)死區(qū)時(shí)間。

這就是為什么我們不應(yīng)該只使用脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)及其反信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)高低輸入，因?yàn)槲覀?span>必須在一個(gè)輸入的下降沿和另一個(gè)輸入的上升沿之間產(chǎn)生等待時(shí)間（圖 2）。

圖 2：具有死區(qū)時(shí)間延遲的反相驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)

LMG5200 GaN 半橋功率級(jí)的評(píng)估板使用經(jīng)典的延時(shí)電路來(lái)產(chǎn)生這種微小的延遲。標(biāo)志性書(shū)籍“電子藝術(shù)”的粉絲們會(huì)認(rèn)為該設(shè)置是第一章中的實(shí)際示例之一。雖然書(shū)中給出的示例會(huì)在方波的兩個(gè)邊緣產(chǎn)生延遲，但 TI 設(shè)計(jì)人員對(duì)電路板進(jìn)行了調(diào)整，使其僅在上升沿插入延遲。這正是我們需要的行為。

死區(qū)時(shí)間發(fā)生器原理圖

用戶指南記錄了評(píng)估板的完整原理圖。圖 3 顯示了產(chǎn)生具有死區(qū)時(shí)間的高驅(qū)動(dòng)信號(hào)和低驅(qū)動(dòng)信號(hào)的模塊。 

圖 3：死區(qū)時(shí)間發(fā)生器原理圖

如果我們抽象出二極管、電阻器和電容器，電路會(huì)從 PWM 輸入生成同相和反相信號(hào)?？倳?huì)有半橋的一側(cè)打開(kāi)而一側(cè)關(guān)閉。無(wú)源元件會(huì)為我們產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間，所以讓我們更深入地研究一下這部分。

“電子藝術(shù)”

在“電子藝術(shù)”的第 1 章中，作者介紹了一個(gè)延時(shí)電路。它使用一個(gè) RC 電路 - 兩側(cè)是兩個(gè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 緩沖器 - 將短延遲粘合到 PWM 信號(hào)的兩側(cè)（圖 4）。

圖 4：《電子藝術(shù)》中的延時(shí)電路與 TI 非對(duì)稱(chēng)延時(shí)發(fā)生器的比較

在 TI 的參考設(shè)計(jì)中，與電阻并聯(lián)的快速開(kāi)關(guān)肖特基二極管在其中一個(gè)邊沿期間繞過(guò) RC 延遲。

具有死區(qū)時(shí)間的高低信號(hào)

讓我們按照評(píng)估板原理圖的 HI 信號(hào)路徑（圖 3 中的 D4、R2 和 C35）。二極管 D4 在輸入 A 的下降沿繞過(guò) R2（圖 3 和圖 5 中的信號(hào) 1）。在第一個(gè)反相器（信號(hào) 6）的輸出端，該輸入信號(hào)的下降沿變?yōu)樯仙亍６O管導(dǎo)通，RC 電路的 R 分量幾乎為 0。RC 常數(shù)也幾乎為 0。因此，該電路實(shí)際上沒(méi)有給該邊沿增加延遲（信號(hào) 7）。在第二個(gè)反相器之后，它再次變?yōu)橄陆笛兀ㄐ盘?hào) 8 和 10）。

圖 5：從簡(jiǎn)單輸入到帶死區(qū)時(shí)間的反相輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換

當(dāng)輸入信號(hào)上升時(shí)（再次在信號(hào) 1 處），反相器后的信號(hào)變?yōu)橄陆笛兀ㄐ盘?hào) 6）。二極管 D4 阻止并單獨(dú)留下 R2。你得到一個(gè)真正的 47Ω 和 100pF 的 RC 電路。這會(huì)將邊緣變成斜坡（信號(hào) 7）。第二個(gè)逆變器的施密特觸發(fā)器前端將確保輸出信號(hào)以可預(yù)測(cè)的電壓（和可預(yù)測(cè)的時(shí)間）翻轉(zhuǎn)。因此結(jié)果是輸出（信號(hào) 8 和 10）的上升沿將滯后于輸入信號(hào)。這就是我所追求的效果。

LO 信號(hào)路徑的作用完全相同。該路徑輸入端的附加反相器可確保雙方都能看到并處理相反的信號(hào)：一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)高端 FET，一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)低端 FET。結(jié)果，我們將獲得兩個(gè)相關(guān)信號(hào)，如圖 2 所示。一個(gè)信號(hào)僅在另一個(gè)關(guān)閉后才變?yōu)楦唠娖?，并且在該死區(qū)時(shí)間過(guò)去之后，這是我們的最終目標(biāo)。

圖 6 顯示了LMG5200在兩個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)的兩個(gè)輸入的捕獲。

圖 6：捕獲兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)的 HI-LO 和 LO-HI 轉(zhuǎn)換。

我們可以根據(jù)需要改變輸入信號(hào)的占空比和頻率。死區(qū)時(shí)間將保持不變。

通過(guò)使用經(jīng)典的延時(shí)電路，我們可以使用簡(jiǎn)單的 PWM 信號(hào)安全地驅(qū)動(dòng) GaN 半橋功率級(jí)，并以可變占空比控制其輸出。我們?cè)陂_(kāi)關(guān)應(yīng)用程序中產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間的方法是什么？