增长中的eGaN FET功率转换生态系统

技术分享GaN技术杂谈 – Rick Pierson 5月 18, 2019

序言

基于eGaN^® FET的电力转换系统相比于基于硅的替代品，提供了更高的效率、更高的功率密度和更低的总体系统成本。这些优势特性促成了不断增加的功率电子组件生态系统，如门驱动器、控制器和被动组件，这些组件专门用于增强eGaN FET的性能。图1展示了一些eGaN FET的例子。

图1：eGaN FET的例子，电阻范围从7 mΩ到120 mΩ，电压范围从100 V到350 V

eGaN FET生态系统概述

eGaN FET生态系统可以分为三个主要类别：1) 门驱动器，2) 控制器和3) 被动组件。一个典型的同步降压转换器，如图2所示，突出了这些各种组件。这些组件的要求由eGaN FET的特性驱动，如小占位面积、快速开关、严格的栅极电压要求和高频能力。

Circuit schematic of a typical synchronous eGaN FET based Buck converter

图2：典型的基于eGaN FET的同步降压转换器电路图，突出了eGaN FET生态系统中的关键组件

eGaN FET的门驱动器

门驱动IC对于最大化eGaN FET的开关速度能力至关重要。为了与eGaN FET兼容，门驱动器必须具备适用于5 V驱动的UVLO、低上拉和下拉电阻、小占位面积，并具备足够的共模瞬态抗扰度（CMTI）以承受高dv/dt。一些eGaN兼容驱动器的其他有益特性包括集成的电压调节器、升压管理和非常窄的脉宽能力。表1显示了一些适用于eGaN FET的低侧门驱动器的例子，表2显示了半桥门驱动器的例子。

制造商	型号	包含LDO	关键特性	应用示例
德州仪器	LM5114	否	通用	联系EPC
德州仪器	UCC27611	是	适用于带有数字隔离器的半桥	EPC9081
德州仪器	LMG1020	否	超快，1 ns脉宽	联系EPC
uPI	uP1964	是	集成可调驱动电压调节器	—
IXYS	IXD_604	否	双驱动器，适用于大FET	—

表1：兼容eGaN FET的低侧门驱动器

制造商	型号	工作电压（V）	升压管理	输入	CMTI（V/ns）	应用示例
德州仪器	LM5113-Q1(NRND)*‡	100	是	Lo & Hi	50	EPC9078
德州仪器	LMG1205*‡	100	是	Lo & Hi	50	EPC9078
uPI	uP1966A*‡	80	是	Lo & Hi	—	EPC9078
uPI	uP1966B*	80	是	PWM	—	—
pSemi	PE29101	100	是	PWM	—	联系EPC
pSemi	PE29102	100	否	PWM	—	EPC9204
德州仪器	LMG1210	200	是	PWM	300	联系EPC
Silicon Labs	Si8274GB1-IM	630	否	PWM	200	联系EPC
Silicon Labs	Si8275GB-IM	630	否	Lo & Hi	200	联系EPC
Analog Devices	ADuM4120ARIZ	1092 V	否	Lo or Hi	150	—
Analog Devices	ADuM4121ARIZ	1118 V	否	Lo or Hi	150	—
* 占位面积兼容 ‡ 引脚兼容

表2：兼容eGaN FET的半桥门驱动器

对于没有单一IC解决方案的高压设计，可以将低侧门驱动器与具有高CMTI的高压信号隔离器结合使用。

eGaN FET的控制器

随着eGaN FET推动转换器向更高频率发展，控制器需要在MHz范围内运行，并具有更高的控制带宽和更紧的高频转换器调节。许多控制器还集成了门驱动阶段，必须满足前面提到的门驱动器要求。表3和表4显示了适用于同步整流和同步降压转换器应用的eGaN FET兼容控制器。

制造商	型号	包含门驱动器	激活/停用时间	FET电压（V）	直流电压（V）
NXP	TEA1993TS	是	65 ns / 40 ns	120	38
NXP	TEA1995T	是（双）	80 ns / 40 ns	100	38
NXP	TEA1998TS	是	40 ns / 40 ns	60	10.5
ON-Semi	NCP4305A	是	35 ns / 12 ns	200	35
ON-Semi	NCP4308A	是	40 ns / 20 ns	150	35

表3：适用于同步整流的eGaN FET兼容控制器

制造商	型号	包含门驱动器	工作频率	最大占空比	工作电压（V）
Analog Devices	LTC7800	是	320 kHz - 2.25 MHz	98%	60
Microchip	MIC2127A	是	270 kHz - 800 kHz	85%	75
Microchip	MIC2103/4	是	200 kHz - 600 kHz	85%	75
德州仪器	LM5140-Q1	是	440 kHz / 2.2 MHz	95.6% / 78%	65
德州仪器	TPS40400	是	200 kHz - 2 MHz	95% / 75%	20
德州仪器	TPS53632G	否	300 kHz - 1 MHz	—	5
Renesas	ISL8117A	是	100 kHz - 2 MHz	—	60