Новые драйверы GaN-транзисторов от Texas Instruments

Нитрид-галлиевые транзисторы превосходят кремниевые силовые ключи по целому ряду параметров. Они обеспечивают минимальные потери и отличаются высокой рабочей частотой. В то же время использование GaN-транзисторов имеет целый ряд особенностей. В частности, для работы с ними требуются специализированные драйверы. К сожалению, выбор драйверов для GaN-ключей оказывается не очень богатым. Однако ситуация постепенно улучшается. Например, совсем недавно компания Texas Instruments выпустила новые драйверы LMG1020 и LMG1210, способные работать на частотах 50 МГц и 60 МГц, соответственно.

Рис. 1.	Внешний вид драйверов LMG1020 и LMG1210 от Texas Instruments.

Несмотря на то, что потенциал нитрид-галлиевых силовых транзисторов до конца не реализован, уже сейчас существуют GaN-ключи, существенно превосходящие кремниевые транзисторы по целому ряду параметров. Наиболее ярко достоинства GaN-транзисторов проявляются в высокочастотных приложениях, в которых необходимо минимизировать динамические потери при переключениях: лидары, мощные DC/DC-преобразователи, беспроводные системы передачи энергии (AirFuel и Qi/PMA.), усилители мощности класса D и т. д.

В высокочастотных приложениях GaN-транзисторы обеспечивают высокий КПД и минимальный перегрев, что ведет к отказу от массивных радиаторов. Это в свою очередь приводит к снижению стоимости и габаритов.

В то же время, нитрид-галлиевые транзисторы имеют ряд особенностей. К наиболее важным отличиям GaN-транзисторов следует отнести:

• Значительный входной ток затвора;
• Низкое пороговое напряжение, что делает GaN-ключи чувствительными к ложным переключениям при наличии помех;
• Низкое допустимое напряжение затвора, которое, как правило, ограничено значением 6 В, что вызывает сложности при организации защиты затвора от пробоя.

Перечисленные особенности приводят к тому, что для работы с GaN-транзисторами не могут быть использованы обычные драйверы, разработанные для кремниевых ключей. С другой стороны выбор, специализированных драйверов для GaN-транзисторов оказывается ограниченным. Тем не менее, ситуация понемногу улучшается благодаря вниманию со стороны крупных производителей электронных компонентов. В частности, компания Texas Instruments постоянно обновляет свое портфолио GaN-продуктов. Например, недавно в производство были запущены драйверы LMG1020 и LMG1210, позволяющие работать с GaN-ключами на частотах 50 МГц и 60 МГц соответственно.

LMG1020 – сверхбыстродействующий одноканальный драйвер GaN-транзисторов нижнего плеча (Рисунок 1). Главными и уникальными особенностями LMG1020 являются его способность работы на частотах до 60 МГц и возможность формирования импульсов длительностью от 1 нс.

​
Рис. 2.	Структурная схема драйвера LMG1020.

LMG1020 имеет два независимых выхода для подключения затворных резисторов OUTH и OUTL. Это позволяет оптимизировать время включения и выключения силового GaN-ключа. При этом собственная задержка сигнала управления для LMG1020 не превышает 4.5 нс.

Драйвер имеет встроенную защиту от просадок напряжения и перегрева.

Большим плюсом LMG1020 являются его компактные габаритные размеры: 0.8 × 1.2 × 0.625 мм (WCSP-6).

Очевидно, что возможность формирования сверхкоротких импульсов делает LMG1020 идеальным выбором для лидаров (Рис. 3). Как известно, лидары являются основными элементами в оптических системах обнаружения объектов. При этом длительность оптических импульсов, формируемых лазером, оказывается очень важным параметром. Чем короче импульс, тем выше может быть амплитуда тока накачки, и тем шире радиус действия лидара.

​
Рис. 3.	Типовая схема включения драйвера LMG1020.

Учитывая все вышесказанное, становится понятно, почему в качестве схемы отладочной платы для LMG1020 выбрана именно схема, имитирующая работу лидара.

LMG1020EVM-006 – отладочная плата, представляющая собой модуль накачки лазера для лидара (Рис. 4). Стоит сразу отметить, что в качестве нагрузки используется не лазер, а резистор. Плата работает с напряжениями до 75 В и частотами до 50 МГц.

​
Рис. 4.	Внешний вид отладочной платы LMG1020EVM-006 от Texas Instruments.

В силовом каскаде LMG1020EVM-006 используется нитрид-галлиевый транзистор EPC2019 (Рис. 5). Несмотря на компактные размеры 2.766 × 0.95 мм, этот силовой ключ способен обеспечивать постоянную токовую нагрузку до 8.5 А и импульсную до 42 А. Подтверждением этого стали практические испытания LMG1020EVM-006. Максимальный выходной ток для LMG1020EVM-006 достигает 40 А при коэффициенте заполнения 0.1 % и частоте до 2 МГц.

​
Рис. 5.	Внешний вид нитрид-галлиевого транзистора EPC2019 от компании EPC.

LMG1210 – сверхбыстродействующий драйвер, предназначенный для управления GaN-транзисторами силового полумоста. LMG1210 способен работать на частотах до 50 МГц с напряжениями силовой шины до 200 В. Кроме выходных силовых каскадов в состав драйвера входят блоки защиты от просадок напряжения и перегрева (Рис. 6). Несмотря на развитую внутреннюю структуру, габариты LMG1210 оказываются скромными – всего 3.00 × 4.00 мм (WQFN).

​
Рис. 6.	Структурная схема драйвера LMG1210.

Важными достоинствами LMG1210 являются низкие задержки распространения управляющих сигналов 10 нс и отличное согласование задержек между верхним и нижним каналами – не хуже 1.5 нс. Это позволяет выбирать минимально возможную длительность мертвого времени. Кроме того, разработчики могут подстраивать длительность мертвого времени с помощью внешних резисторов, подключенных к входам DHL и DLH. Последнее обстоятельство, по мнению инженеров Texas Instruments, позволяет увеличивать КПД полумостового преобразователя на 5%.

Не сложно догадаться, что LMG1210 разрабатывались специально для создания быстродействующих DC/DC-регуляторов, в том числе резонансных LLC-преобразователей, например, для беспроводных систем передачи энергии (AirFuel и Qi/PMA), усилителей мощности класса D, мощных радиопередатчиков и т. д. Типовая схема включения LMG1210 представлена на Рис. 7.

​
Рис. 7.	Типовая схема включения драйвера LMG1210.

Эффективность работы LMG1210 можно оценить с помощью отладочной платы LMG1210EVM-012, которая представляет собой силовой полумост с рабочим напряжением до 100 В и нагрузкой до 10 А (Рис. 8). При необходимости данная плата может быть использована как основа для DC/DC-преобразователя, усилителя мощности класса D и т. д.

​
Рис. 8.	Внешний вид отладочной платы LMG1210EVM-012 от Texas Instruments.

Силовой каскад отладочной платы LMG1210EVM-012 построен на базе силовых нитрид-галлиевых транзисторов EPC2001 от компании EPC (Рис. 9). Эти ключи имеют сопротивление всего 7 мОм и способны коммутировать импульсную нагрузку до 100 А. Рейтинг напряжений для EPC2001 составляет 100 В.

​
Рис. 9.	Внешний вид нитрид-галлиевого транзистора EPC2001 от компании EPC.

В заключение хотелось бы еще раз отметить ключевые преимущества драйверов LMG1020 и LMG1210:

Высокая рабочая частота. Оба драйвера отличаются высокой рабочей частотой (50 и 60 МГц) и минимальными задержками управляющего сигнала (2.5 нс для LMG1020 и 10 нс для LMG1210). Это позволяет создавать импульсные устройства, которые на порядок превосходят по быстродействию традиционные силовые схемы с кремниевыми ключами. Кроме того, LMG1210 способен формировать импульсы длительностью всего 1 нс, что делает его идеальным выбором для построения лидаров.

Высокая эффективность. Оба драйвера способны обеспечить сверхбыструю коммутацию силовых транзисторов и минимизировать потери на переключения. При этом LMG1210 имеет возможность оптимизации длительности мертвого времени за счет прецизионного согласования задержек верхнего и нижнего каналов (1.5 нс) и за счет использования встроенной схемы подстройки мертвого времени.

Простота использования. При работе с LMG1020 и LMG1210 схемы управления нитрид-галлиевыми транзисторами становятся такими же простыми и надежными, как и схемы с традиционными кремниевыми ключами.

Характеристики драйвера GaN-транзисторов XLMG1020YFFT:

• Максимальная рабочая частота: 60 МГц;
• Максимальная задержка сигнала управления: 4.5 нс;
• Минимальная длительность сигнала управления 1 нс;
• Пиковый выходной ток: 7/5 А;
• Напряжение питания: 5 В;
• Диапазон рабочих температур: –40…+125 °C;
• Корпусное исполнение: WCSP-6 (0.8 × 1.2 × 0.625 мм).

Характеристики оценочного набора LMG1020EVM-006:

• Тип: источник питания для лидара (лазерный диод эмулируется с помощью резистора);
• Напряжение высоковольтной шины: 0…75 В (DC);
• Максимальный выходной ток: 40 А (коэффициент заполнения 0.1 % и частота до 2 МГц);
• Рабочая частота: 0.1…50 МГц;
• Напряжение питания (драйвера): 6…18 В (DC);
• Встроенный стабилизатор напряжения для питания драйвера: есть.

Характеристики силового нитрид-галлиевого транзистора EPC2019:

• Рейтинг напряжения сток-исток: 200 В;
• Постоянный ток: 8.5 А;
• Импульсный ток: 42 А;
• Пороговое напряжение: 0.8…2.5 В;
• Сопротивление открытого канала: 36 мОм (типовое);
• Диапазон рабочих температур: −40…+150 °C
• Корпусное исполнение: 2.766 × 0.95 мм.

Посмотреть более подробно технические характеристики GaN-транзисторов от Texas Instruments