满足eGaN FET驱动要求的栅极驱动器

随着宽带隙(WBG)器件的推出，许多电源设计人员已开始研究基于硅上氮化镓(GaN-on-Si)的FET的优点，适用于各种新设计和新兴应用。与客户保持一致，出现了许多供应商以满足这些需求。然而，在走上这条道路之前，了解硅和GaN晶体管之间的关键差异非常重要，因为它们的驱动要求也会不同。

与硅MOSFET不同，氮化镓(GaN)基FET的运行速度要快得多栅极阈值电压。此外，GaN FET的内部栅极电阻要低得多，体二极管反向恢复特性要优越得多(GRR为零)。有一些输出电容，但它明显低于硅。?实际上，由于与硅相比较低的导通电阻(RDS(on))和栅极电荷QG，GaN晶体管的品质因数(FOM)要低得多同行。更重要的是，GaN晶体管不像MOSFET那样受到强烈的负温度系数的影响。因此，与硅MOSFET相比，GAN FET的驱动要求，无论是正常关断还是开启，都会有很大差异。因此，为了充分利用这些新型高性能晶体管，设计人员必须先了解如何有效地驱动它们，以使GaN FET的导通和开关损耗最小化。除了实现最佳栅极驱动外，PCB布局和热设计考虑因素对于这些WBG器件同样重要，以实现最佳系统性能和可靠性。

驱动GaN FET

为电源设计人员提供更轻松的功能德州仪器(TI)等供应商开发了针对这些WBG设备进行优化的栅极驱动器。实际上，供应商精心挑选的MOSFET驱动器具有有助于高效驱动GaN基功率FET的特性。例如，它选择了一系列硅驱动器，其性能适合于最佳驱动高达100 V或更高电压的各种增强型GaN(eGaN)FET。该系列的第一个产品是100 V半桥驱动器LM5113，它克服了驱动具有低阈值电压和高dv/dt特性的晶体管的任务。它设计用于驱动高端和低端eGaN FET，提供独立的漏极和源极输出(图1)，从而可以独立控制导通和关断，而不会受到旁路二极管电压降的不利影响在关闭状态。产品数据表显示该驱动器还具有0.5Ω的极低吸收阻抗，从而为低阈值电压eGaN FET提供快速关断路径。

TI表示，基于硅的LM5113使用一种专有的自举技术，用于调节大约5.25 V的高端栅极电压，以最佳驱动eGaN功率FET，而不会超过6 V的最大栅极 - 源极电压额定值。此外，LM5113的输入兼容TTL逻辑，可承受高电压无论VDD引脚的电压如何，输入电压最高可达14 V.此外，为了提供灵活性，可以独立调节导通和关断强度，LM5113可提供分栅输出。其他功能包括28 ns(典型值)的短传播延迟，快速上升和下降时间以及电源轨欠压锁定。

 

 

图1：优化驱动高电平和高电平低侧eGaN FET，TI的驱动器LM5113提供独立的漏极和源极输出eGaN驱动器可以在高达几MHz的频率下切换，以与GaN晶体管的高开关速度兼容。它采用标准WSON-10封装，采用12焊球DSBGA封装，主要针对高效电源转换(EPC)eGaN FET。为了将杂散电感降至最低，封装尺寸最小化，允许在PCB布局期间将eGaN FET放置在靠近驱动器的位置。事实上，EPC已经使用LM5113和eGaN FET构建了几个演示板。这些电路板展示了eGaN FET(包括驱动器)在隔离和非隔离DC/DC转换器设计中实现的高效率，同时提供高功率密度。 EPC演示板展示的高转换效率表明驱动器LM5113最适合驱动eGaN FET。

现在让我们来研究一下这些评估板。

评估板

对于EPC的评估板，最新推出的产品是EPC9022至EPC9030，它提供半桥拓扑结构，带有板载栅极驱动器LM5113以及该公司超高频，高性能eGaN FET系列EPC8000的成员。例如，EPC9022包含两个65 V EPC8002 GaN FET，采用半桥配置，LM5113作为栅极驱动器(图2)。

 

 

图2：EPC评估板采用半桥采用超高频，高性能eGaN FET和栅极驱动器LM5113的拓扑结构。

同样，TI已经为5 A，100 V半桥eGaN FET栅极驱动器LM5113创建了自己的评估板。它采用带有电压模式控制器LM5025的同步降压转换器，用于产生降压和同步开关的PWM信号。?该电路板的规格，如用户指南中所述，包括15 VDC至60 VDC的输入工作电压输出电压为10 VDC，48 VDC输入时为10A，输入电压为60 VDC时为7 A.开关频率为800 kHz。测得的效率如图3所示，在48 VDC输入和10 A输出电流下显示为93.9%。该图显示随着输入电压下降，效率提高。在24 V输入时，10 A时10 VDC输出的报告效率为96%。

 

 

图3：LM5113评估板效率与不同输入电压下的负载电流。

对于高功率应用，TI开发了具有独立源和接收功能的7.6 A低端驱动器。它被指定为LM5114，经过优化，可驱动低侧应用中的eGaN FET，如同步整流器和升压转换器。 LM5114的其他主要特性(图4)包括匹配反相和非反相输入之间的延迟时间以减少死区时间损耗，12 ns典型传播延迟以实现高开关频率，低输入电容，TTL/CMOS逻辑兼容，和分离门输出。对于操作，它需要一个4 V至12.6 V的单电源，并且无论VDD引脚的电压如何，都可以处理高达14 V的逻辑输入。该器件采用SOT-23-6和WQFN-6封装，工作温度范围为-40°C至+ 125°C。

 

 

图4：LM5114设计用于驱动低侧eGaN FET。它提供独立的源和灌电流输出，可控制上升和下降时间。总之，TI等供应商推出了现成的栅极驱动器，可轻松满足eGaN FET的严格驱动要求，从而使设计人员能够从这些新型高性能WBG晶体管中获取全部优势。