成長中的eGaN FET電源轉換生態系統

技術分享雜談GaN技術 – Rick Pierson 五月 18, 2019

序幕

eGaN^® FET 基於的電力轉換系統比基於 Si 的替代方案具有更高的效率、更高的功率密度和更低的整體系統成本。這些優勢特性促進了越來越多的電力電子元件生態系統的出現，例如門驅動器、控制器和被動元件，專門增強eGaN FET的性能。圖1顯示了一些 eGaN FET 的範例。

圖1：eGaN FET 範例，範圍從 7 mΩ 到 120 mΩ 以及從 100 V 到 350 V

eGaN FET 生態系統概述

eGaN FET 生態系統可以分為三個主要類別：1) 門驅動器，2) 控制器和 3) 被動元件。圖2中顯示的典型同步降壓轉換器突出了這些各種元件。這些元件的需求由eGaN FET 的特性驅動，例如小占用空間、快速開關、緊密的門電壓要求和高頻能力。

Circuit schematic of a typical synchronous eGaN FET based Buck converter

圖2：典型同步 eGaN FET 基於的降壓轉換器電路示意圖，突出了 eGaN FET 生態系統中的關鍵元件

eGaN FET 的門驅動器

門驅動器 IC 對於最大化 eGaN FET 的開關速度能力至關重要。為了與 eGaN FET 兼容，門驅動器必須具有適合 5 V 驅動的 UVLO、低上拉和下拉電阻、小占用空間和足夠的共模瞬變免疫性 (CMTI) 以承受高 dv/dt。一些 eGaN 兼容驅動器的其他有益特性包括集成電壓調節器、引導管理和非常窄的脈寬能力。表 1 顯示了一些適用於 eGaN FET 的低側門驅動器範例，表 2 同樣顯示了半橋門驅動器。

製造商	零件編號	包含 LDO	關鍵特性	應用範例
德州儀器	LM5114	否	通用	聯繫 EPC
德州儀器	UCC27611	是	適用於數字隔離器的半橋	EPC9081
德州儀器	LMG1020	否	超快，1 ns 脈寬	聯繫 EPC
uPI	uP1964	是	集成可調節驅動電壓調節器	—
IXYS	IXD_604	否	雙驅動器，適用於大型 FET	—

表 1：eGaN FET 兼容的低側門驅動器

製造商	零件編號	工作電壓 (V)	引導管理	輸入	CMTI (V/ns)	應用範例
德州儀器	LM5113-Q1(NRND)*‡	100	是	Lo & Hi	50	EPC9078
德州儀器	LMG1205*‡	100	是	Lo & Hi	50	EPC9078
uPI	uP1966A*‡	80	是	Lo & Hi	—	EPC9078
uPI	uP1966B*	80	是	PWM	—	—
pSemi	PE29101	100	是	PWM	—	聯繫 EPC
pSemi	PE29102	100	否	PWM	—	EPC9204
德州儀器	LMG1210	200	是	PWM	300	聯繫 EPC
Silicon Labs	Si8274GB1-IM	630	否	PWM	200	聯繫 EPC
Silicon Labs	Si8275GB-IM	630	否	Lo & Hi	200	聯繫 EPC
Analog Devices	ADuM4120ARIZ	1092 V	否	Lo 或 Hi	150	—
Analog Devices	ADuM4121ARIZ	1118 V	否	Lo 或 Hi	150	—
* 占用空間兼容 ‡ 引腳兼容

表 2：eGaN FET 兼容的半橋門驅動器

對於沒有單一 IC 解決方案的高壓設計，可以將低側門驅動器與具有高 CMTI 的高壓信號隔離器結合使用。

eGaN FET 的控制器

隨著 eGaN FET 推動轉換器向更高頻率發展，控制器需要在 MHz 範圍內運行，具有更高的控制帶寬和更緊密的調節以適應高頻轉換器。許多控制器還集成了一個門驅動器階段，必須滿足前面提到的門驅動器要求。表 3 和表 4 顯示了適用於同步整流和同步降壓轉換器應用的 eGaN FET 兼容控制器。

製造商	零件編號	包含門驅動器	激活 / 停用時間	FET 電壓 (V)	直流電壓 (V)
NXP	TEA1993TS	是	65 ns / 40 ns	120	38
NXP	TEA1995T	是 (雙)	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：eGaN FET 兼容的同步整流控制器

製造商	零件編號	包含門驅動器	工作頻率	最大占空比	工作電壓 (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
德州儀器	LM5140-Q1	是	440 kHz / 2.2 MHz	95.6% / 78%	65
德州儀器	TPS40400	是	200 kHz - 2 MHz	95% / 75%	20
德州儀器	TPS53632G	否	300 kHz - 1 MHz	—	5
Renesas	ISL8117A	是	100 kHz - 2 MHz	—	60