滿(mǎn)足eGaN FET驅(qū)動(dòng)要求的柵極驅(qū)動(dòng)器

隨著寬帶隙(WBG)器件的推出，許多電源設(shè)計(jì)人員已開(kāi)始研究基于硅上氮化鎵(GaN-on-Si)的FET的優(yōu)點(diǎn)，適用于各種新設(shè)計(jì)和新興應(yīng)用。與客戶(hù)保持一致，出現(xiàn)了許多供應(yīng)商以滿(mǎn)足這些需求。然而，在走上這條道路之前，了解硅和GaN晶體管之間的關(guān)鍵差異非常重要，因?yàn)樗鼈兊尿?qū)動(dòng)要求也會(huì)不同。

與硅MOSFET不同，氮化鎵(GaN)基FET的運(yùn)行速度要快得多柵極閾值電壓。此外，GaN FET的內(nèi)部柵極電阻要低得多，體二極管反向恢復(fù)特性要優(yōu)越得多(GRR為零)。有一些輸出電容，但它明顯低于硅。?實(shí)際上，由于與硅相比較低的導(dǎo)通電阻(RDS(on))和柵極電荷QG，GaN晶體管的品質(zhì)因數(shù)(FOM)要低得多同行。更重要的是，GaN晶體管不像MOSFET那樣受到強(qiáng)烈的負(fù)溫度系數(shù)的影響。因此，與硅MOSFET相比，GAN FET的驅(qū)動(dòng)要求，無(wú)論是正常關(guān)斷還是開(kāi)啟，都會(huì)有很大差異。因此，為了充分利用這些新型高性能晶體管，設(shè)計(jì)人員必須先了解如何有效地驅(qū)動(dòng)它們，以使GaN FET的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗最小化。除了實(shí)現(xiàn)最佳柵極驅(qū)動(dòng)外，PCB布局和熱設(shè)計(jì)考慮因素對(duì)于這些WBG器件同樣重要，以實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能和可靠性。

驅(qū)動(dòng)GaN FET

為電源設(shè)計(jì)人員提供更輕松的功能德州儀器(TI)等供應(yīng)商開(kāi)發(fā)了針對(duì)這些WBG設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器。實(shí)際上，供應(yīng)商精心挑選的MOSFET驅(qū)動(dòng)器具有有助于高效驅(qū)動(dòng)GaN基功率FET的特性。例如，它選擇了一系列硅驅(qū)動(dòng)器，其性能適合于最佳驅(qū)動(dòng)高達(dá)100 V或更高電壓的各種增強(qiáng)型GaN(eGaN)FET。該系列的第一個(gè)產(chǎn)品是100 V半橋驅(qū)動(dòng)器LM5113，它克服了驅(qū)動(dòng)具有低閾值電壓和高dv/dt特性的晶體管的任務(wù)。它設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)高端和低端eGaN FET，提供獨(dú)立的漏極和源極輸出(圖1)，從而可以獨(dú)立控制導(dǎo)通和關(guān)斷，而不會(huì)受到旁路二極管電壓降的不利影響在關(guān)閉狀態(tài)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表顯示該驅(qū)動(dòng)器還具有0.5Ω的極低吸收阻抗，從而為低閾值電壓eGaN FET提供快速關(guān)斷路徑。

TI表示，基于硅的LM5113使用一種專(zhuān)有的自舉技術(shù)，用于調(diào)節(jié)大約5.25 V的高端柵極電壓，以最佳驅(qū)動(dòng)eGaN功率FET，而不會(huì)超過(guò)6 V的最大柵極 - 源極電壓額定值。此外，LM5113的輸入兼容TTL邏輯，可承受高電壓無(wú)論VDD引腳的電壓如何，輸入電壓最高可達(dá)14 V.此外，為了提供靈活性，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷強(qiáng)度，LM5113可提供分柵輸出。其他功能包括28 ns(典型值)的短傳播延遲，快速上升和下降時(shí)間以及電源軌欠壓鎖定。

圖1：優(yōu)化驅(qū)動(dòng)高電平和高電平低側(cè)eGaN FET，TI的驅(qū)動(dòng)器LM5113提供獨(dú)立的漏極和源極輸出eGaN驅(qū)動(dòng)器可以在高達(dá)幾MHz的頻率下切換，以與GaN晶體管的高開(kāi)關(guān)速度兼容。它采用標(biāo)準(zhǔn)WSON-10封裝，采用12焊球DSBGA封裝，主要針對(duì)高效電源轉(zhuǎn)換(EPC)eGaN FET。為了將雜散電感降至最低，封裝尺寸最小化，允許在PCB布局期間將eGaN FET放置在靠近驅(qū)動(dòng)器的位置。事實(shí)上，EPC已經(jīng)使用LM5113和eGaN FET構(gòu)建了幾個(gè)演示板。這些電路板展示了eGaN FET(包括驅(qū)動(dòng)器)在隔離和非隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的高效率，同時(shí)提供高功率密度。 EPC演示板展示的高轉(zhuǎn)換效率表明驅(qū)動(dòng)器LM5113最適合驅(qū)動(dòng)eGaN FET。

現(xiàn)在讓我們來(lái)研究一下這些評(píng)估板。

評(píng)估板

對(duì)于EPC的評(píng)估板，最新推出的產(chǎn)品是EPC9022至EPC9030，它提供半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶有板載柵極驅(qū)動(dòng)器LM5113以及該公司超高頻，高性能eGaN FET系列EPC8000的成員。例如，EPC9022包含兩個(gè)65 V EPC8002 GaN FET，采用半橋配置，LM5113作為柵極驅(qū)動(dòng)器(圖2)。

圖2：EPC評(píng)估板采用半橋采用超高頻，高性能eGaN FET和柵極驅(qū)動(dòng)器LM5113的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

同樣，TI已經(jīng)為5 A，100 V半橋eGaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器LM5113創(chuàng)建了自己的評(píng)估板。它采用帶有電壓模式控制器LM5025的同步降壓轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生降壓和同步開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)。?該電路板的規(guī)格，如用戶(hù)指南中所述，包括15 VDC至60 VDC的輸入工作電壓輸出電壓為10 VDC，48 VDC輸入時(shí)為10A，輸入電壓為60 VDC時(shí)為7 A.開(kāi)關(guān)頻率為800 kHz。測(cè)得的效率如圖3所示，在48 VDC輸入和10 A輸出電流下顯示為93.9%。該圖顯示隨著輸入電壓下降，效率提高。在24 V輸入時(shí)，10 A時(shí)10 VDC輸出的報(bào)告效率為96%。

圖3：LM5113評(píng)估板效率與不同輸入電壓下的負(fù)載電流。

對(duì)于高功率應(yīng)用，TI開(kāi)發(fā)了具有獨(dú)立源和接收功能的7.6 A低端驅(qū)動(dòng)器。它被指定為L(zhǎng)M5114，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可驅(qū)動(dòng)低側(cè)應(yīng)用中的eGaN FET，如同步整流器和升壓轉(zhuǎn)換器。 LM5114的其他主要特性(圖4)包括匹配反相和非反相輸入之間的延遲時(shí)間以減少死區(qū)時(shí)間損耗，12 ns典型傳播延遲以實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)頻率，低輸入電容，TTL/CMOS邏輯兼容，和分離門(mén)輸出。對(duì)于操作，它需要一個(gè)4 V至12.6 V的單電源，并且無(wú)論VDD引腳的電壓如何，都可以處理高達(dá)14 V的邏輯輸入。該器件采用SOT-23-6和WQFN-6封裝，工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C。

圖4：LM5114設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)低側(cè)eGaN FET。它提供獨(dú)立的源和灌電流輸出，可控制上升和下降時(shí)間?？傊?，TI等供應(yīng)商推出了現(xiàn)成的柵極驅(qū)動(dòng)器，可輕松滿(mǎn)足eGaN FET的嚴(yán)格驅(qū)動(dòng)要求，從而使設(shè)計(jì)人員能夠從這些新型高性能WBG晶體管中獲取全部?jī)?yōu)勢(shì)。