GaN-модуль от Texas Instruments: драйвер и силовой полумост в одном корпусе

| Texas Instruments

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.

 Силовой модуль LMG5200 от Texas Instruments

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.

Блок-схема преобразователя напряжения

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, так же 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 x 8,0 x2,0 мм), модуль LMG5200 обеспечивает максимальные токи в условиях комнатной температуры даже при  отсутствии радиатора.

Структура силового модуля LMG5200 от Texas Instruments

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).

Типовая схема включения силового модуля LMG5200

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 Гц. 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.

Сравнение КПД различных импульсных преобразователей

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.

Оценочный набор LMG5200EVM-01A

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 x 8,0 x2,0 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.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
PLMG5200MOFT
PLMG5200MOFT
Texas Instruments
Арт.: 1915014 ИНФО PDF AN
Доступно: 750 шт.
Выбрать
условия
поставки
Силовой компактный модуль, объединяющий в одном корпусе драйвер и GaN-полумост. Микросхема работает с входными напряжениями до 80 В и выходными токами до 10 А. 
PLMG5200MOFT от 250 шт. от 935,80
750 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LMG5200EVM-01A
LMG5200EVM-01A
Texas Instruments
Арт.: 2096538 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
Оценочный набор представляет собой печатную плату, которая кроме LMG5200 содержит логику формирования мертвого времени, линейный стабилизатор LP38690SD-5.0, пассивные компоненты и разъемы.
LMG5200EVM-01A
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()