滿足eGaN FET驅(qū)動要求的柵極驅(qū)動器

隨著寬帶隙（WBG）器件的推出，許多電源設(shè)計(jì)人員已開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。與客戶保持一致，出現(xiàn)了許多供應(yīng)商以滿足這些需求。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)動要求也會不同。

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。1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)動要求，無論是正常關(guān)斷還是開啟，都會有很大差異。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)動它們，以使GaN FET的導(dǎo)通和開關(guān)損耗最小化。除了實(shí)現(xiàn)最佳柵極驅(qū)動外，PCB布局和熱設(shè)計(jì)考慮因素對于這些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)商開發(fā)了針對這些WBG設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化的柵極驅(qū)動器。實(shí)際上，供應(yīng)商精心挑選的MOSFET驅(qū)動器具有有助于高效驅(qū)動GaN基功率FET的特性。例如，它選擇了一系列硅驅(qū)動器，其性能適合于最佳驅(qū)動高達(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)動器LM5113，它克服了驅(qū)動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eGaN功率FET，而不會超過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)動高電平和高電平低側(cè)eGaN FET，TI的驅(qū)動器LM5113提供獨(dú)立的漏極和源極輸出eGaN驅(qū)動器可以在高達(dá)幾MHz的頻率下切換，以與GaN晶體管的高開關(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)動器LM5113最適合驅(qū)動eGaN FET。

現(xiàn)在讓我們來研究一下這些評估板。

評估板

對于EPC的評估板，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)動器（圖2）。

圖2：EPC評估板采用半橋采用超高頻，高性能eGaN FET和柵極驅(qū)動器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)動器LM5113創(chuàng)建了自己的評估板。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)生降壓和同步開關(guān)的PWM信號。2該電路板的規(guī)格，如用戶指南中所述，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.開關(guān)頻率為800 kHz。測得的效率如圖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評估板效率與不同輸入電壓下的負(fù)載電流。

對于高功率應(yīng)用，TI開發(fā)了具有獨(dú)立源和接收功能的7.6 A低端驅(qū)動器。它被指定為LM5114，經(jīng)過優(yōu)化，可驅(qū)動低側(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)高開關(guān)頻率，低輸入電容，TTL/CMOS邏輯兼容，和分離門輸出。對于操作，它需要一個(gè)4 V至12.6 V的單電源，并且無論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。總之，TI等供應(yīng)商推出了現(xiàn)成的柵極驅(qū)動器，可輕松滿足eGaN FET的嚴(yán)格驅(qū)動要求，從而使設(shè)計(jì)人員能夠從這些新型高性能WBG晶體管中獲取全部優(yōu)勢。