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。¹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。²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。
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驱动gan fet
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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。
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评估板
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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。²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％。
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