УНИТЕРА неоднократно публиковала новости, посвященные нитрид-галлиевым транзисторам. При этом достаточно подробно рассматривались не только их достоинства, но и недостатки. Следует признать, что широкое применение GaN-транзисторов ограничивается из-за ряда схемотехнических проблем. Для их решения многие компании предлагают готовые модули печатных плат. Компания Texas Instruments пошла еще дальше и выпустила силовой модуль LMG5200, который объединяет в одном корпусе драйвер и GaN-полумост.
 |
|
| Рис. 1. | Силовой модуль LMG5200 от Texas Instruments. |
В последнее время выходит большое количество статей и новостей, посвященных GaN-транзисторам. По сравнению со стандартными кремниевыми собратьями нитрид-галлиевые ключи отличаются меньшим сопротивлением, минимальными динамическими потерями, более высокими рабочими частотами, меньшими габаритами.
Благодаря отличным свойствам GaN-транзисторов удается добиваться более высокого КПД и минимального перегрева в практических устройствах, таких как DC/DC-преобразователи. А это ведет к снижению стоимости и габаритов, так как пропадает необходимость использования громоздких радиаторов и больших индуктивностей выходных фильтров. Особенно ярко достоинства GaN проявляются при использовании повышенных частот переключения.
Однако кардинального отказа от кремниевых транзисторов не происходит, так как использование нитрид-галлиевых ключей имеет некоторые особенности:
- входной ток затвора достаточно велик по сравнению с кремниевыми транзисторами;
- пороговое напряжение мало, что может привести к ложным переключениям при наличии помех;
- допустимое напряжение затвора в типовом случае ограничено значением 6 В, а это вызывает сложности при организации защиты затвора от пробоя.
Таким образом, имеет место противоречие: чтобы реализовать все преимущества GaN-транзисторов, требуется поднимать рабочие частоты, а это усложняет и без того непростые задачи по их управлению.
Рассмотрим типовое приложение нитрид-галлиевых ключей – обобщенный DC/DC-преобразователь. Очевидно, что при его создании наиболее сложным аспектом будет реализация взаимодействия между драйвером и силовым каскадом (Рис. 2). Как было сказано выше, драйвер должен формировать значительные управляющие токи затворов для максимально высоких частот. Это требует четко выверенной топологии проводящего рисунка с минимизацией импеданса проводников, защитой от помех и т. д. Если эти задачи не решить, то все преимущества новых транзисторов окажутся бесполезными.
 |
|
| Рис. 2. | Блок-схема преобразователя напряжения. |
Существует несколько подходов к решению данной проблемы. Большинство компаний предлагает к услугам разработчиков эталонные топологии печатных плат. Еще один вариант – выпуск готовых силовых модулей, также на базе печатных плат. И, наконец, наиболее сложный путь для производителей электроники – создание готовых интегральных модулей, в которых драйвер и силовой каскад объединены в одном корпусе. По такому пути пошла компания Texas Instruments и создала силовой модуль LMG5200.
LMG5200 – силовой компактный модуль, объединяющий в одном корпусе драйвер и GaN-полумост (Рис. 3). Микросхема допускает работу с входными напряжениями до 80 В и выходными токами до 10 А. Несмотря на малые габариты QFN-9 (6.0 × 8.0 × 2.0 мм), модуль LMG5200 обеспечивает максимальные токи в условиях комнатной температуры даже при отсутствии радиатора.
 |
|
| Рис. 3. | Структура силового модуля LMG5200 от Texas Instruments. |
Важно отметить, что такой подход разом решает все перечисленные выше проблемы. С одной стороны, все критические к разводке части схемы, а именно связи между драйвером и силовым каскадом, оказываются скрытыми от разработчика. Ему не нужно думать, как их реализовать на печатной плате. С другой стороны, разработчик освобождается от необходимости иметь дело напрямую с GaN-ключами и формировать мощные сигналы управления затворами. Вместо этого ему предлагается использовать стандартные уровни сигналов КМОП и ТТЛ. В результате схема DC/DC-преобразователя на базе GaN-транзисторов имеет максимально простой вид (Рис. 4).
 |
|
| Рис. 4. | Типовая схема включения силового модуля LMG5200. |
Достоинства такого подхода уже продемонстрированы на примере готовых устройств. Например, сравнение 48 В DC/DC-преобразователей, построенных на базе различных силовых элементов, показало высокую эффективность решений с использованием LMG5200 (Рис. 5). Преобразователь с LMG5200 при работе на частоте 1 МГц имел меньшие габариты и явное преимущество при токах от 4 А и выше. Преобразователь с кремниевыми 80 В MOSFET показал лучшие результаты при токах до 4 А, работая на частоте 250 кГц. Чтобы уменьшить габариты кремниевого преобразователя за счет меньших индуктивностей фильтра, его частота была поднята до 800 кГц. При этом КПД упал и оказался ниже, чем у нитрид-галлиевого оппонента почти на 4% во всем диапазоне выходных токов.
 |
|
| Рис. 5. | Сравнение КПД различных импульсных преобразователей. |
Области применения модулей LMG5200 не ограничены понижающими преобразователями напряжения. Они могут использоваться в усилителях мощности класса D, в источниках питания для промышленности и телекоммуникаций и т. д.
Для быстрого знакомства с LMG5200 компания Texas Instruments предлагает оценочный набор LMG5200EVM-01A (Рис. 6). Он представляет собой печатную плату, которая кроме LMG5200 содержит логику формирования мертвого времени, линейный стабилизатор LP38690SD-5.0, пассивные компоненты и разъемы.
 |
|
| Рис. 6. | Оценочный набор LMG5200EVM-01A. |
Характеристики силового модуля LMG5200 (именование заказа PLMG5200MOFT):
- Входное напряжение: 4.5…80 В;
- Максимальный выходной ток: 10 А;
- Типовое сопротивление встроенных GaN-транзисторов: 14 мОм;
- Напряжение питания: 5 В;
- Типовое значение задержка сигнала управления: 29.5 нс;
- Диапазон рабочих температур: –40…+125 °C;
- Корпусное исполнение: QFN-9 (6.0 × 8.0 × 2.0 мм).
Характеристики оценочного набора LMG5200EVM-01A:
- Тип модуля: DC/DC-преобразователь;
- Базовая микросхема: силовой модуль LMG5200;
- Максимальное входное напряжение: 80 В;
- Вход: ШИМ;
- Встроенная схема регулировки «мертвого времени»: есть;
- Подстройка «мертвого времени»: с помощью переменного резистора;
- Встроенный регулятор для питания микросхемы: 5 В LDO.
О компании
Texas Instuments – один из крупнейших производителей электроники и электронных компонентов в мире. Номенклатура компании охватывает широчайший спектр компонентов: аналоговые компоненты и аналоговые микросхемы, силовые компоненты, цифровые микросхемы, процессоры и микроконтроллеры, микросхемы для беспроводных технологий, приемопередатчики и т. д.
Посмотреть подробнее характеристики GaN модулей от Texas Instruments
Купить LMG5200 на РадиоЛоцман.Цены
