TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器的深度解析

在電子工程師的日常工作中，尋找高性能、高可靠性的器件是設計成功的關鍵。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器，看看它在復雜環境下的卓越表現和設計要點。

文件下載：tps7h6015-sep.pdf

器件概述

TPS7H60x5系列包括TPS7H6005（200V額定值）、TPS7H6015（60V額定值）和TPS7H6025（22V額定值）三款器件。它們采用56引腳的HTSSOP塑料封裝，有QMLP和Space Enhanced Plastic（SEP）兩種等級可供選擇。該系列驅動器專為高頻、高效、大電流應用而設計，具有30ns典型傳播延遲和5.5ns典型高低側延遲匹配，非常適合基于GaN的功率轉換器設計。

核心特性

輻射性能卓越

在輻射環境下，器件的可靠性至關重要。TPS7H60x5系列具有高達100krad(Si)的總電離劑量（TID）輻射硬度保證（RHA），對單粒子瞬態（SET）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子柵極破裂（SEGR）免疫，線性能量轉移（LET）高達75 MeV - cm2 / mg。此外，SET和單粒子功能中斷（SEFI）特性在LET = 75 MeV - cm2 / mg時也有出色表現。

強大的電流驅動能力

驅動器具有1.3A峰值源電流和2.5A峰值灌電流，能夠為GaN FET提供足夠的驅動能力，確保其快速開關。

靈活的工作模式

該系列驅動器提供兩種工作模式：單PWM輸入可調死區時間模式和兩個獨立輸入模式。在獨立輸入模式下，還可選擇輸入互鎖保護，有效防止上下橋臂直通。同時，分裂輸出允許獨立調整導通和關斷時間，進一步優化電路性能。

其他特性

塑料封裝經過ASTM E595標準的放氣測試，適用于軍事溫度范圍（–55°C至125°C），確保在惡劣環境下的穩定性。

應用領域

航天衛星電源

在航天領域，輻射環境對電子設備的可靠性提出了極高要求。TPS7H60x5系列的卓越輻射性能使其成為衛星電源系統的理想選擇，能夠為衛星的穩定運行提供可靠保障。

電機驅動

在電機驅動應用中，高頻、高效的特性可以提高電機的控制精度和效率，減少能量損耗。

反應輪和通信有效載荷

反應輪和通信有效載荷對設備的可靠性和穩定性要求較高，該系列驅動器的高性能和可靠性能夠滿足這些應用的需求。

詳細設計要點

輸入電壓和線性調節器

輸入電壓范圍為10V至14V，為兩個低側線性調節器BP5L和BP7L供電。BP5L提供5V電壓，為低側邏輯電路和柵極驅動電壓供電；BP7L提供7V電壓，為低側發射器供電。高側線性調節器BP5H以BOOT電壓為輸入，為外部FET提供5V柵極電壓。所有內部線性調節器建議不要進行外部加載，除非文檔中另有說明。

自舉操作

自舉電路是半橋配置中為高側柵極驅動器電路供電的關鍵。TPS7H60x5提供多種自舉電容充電選項，包括通過內部自舉開關充電、直接從VIN充電和雙充電模式。自舉電容的選擇應至少為高側GaN FET柵極電容的10倍，以確保穩定的柵極驅動電壓。同時，自舉二極管、電阻的選擇也至關重要，需要考慮其耐壓、峰值電流處理能力和正向電壓降等因素。

輸入輸出和死區時間

輸入引腳PWM_LI和EN_HI具有內部下拉電阻，其功能根據工作模式而異。在PWM模式下，PWM_LI作為單PWM控制信號輸入，EN_HI作為使能引腳；在獨立輸入模式下，PWM_LI和EN_HI分別作為低側和高側輸入。輸出采用分裂輸出結構，可獨立調整導通和關斷速度。在PWM模式下，通過連接電阻到AGND來編程高低側輸出之間的死區時間，以防止上下橋臂直通。

輸入互鎖保護和欠壓鎖定

在獨立輸入模式下，可啟用輸入互鎖保護，防止GaN FET在半橋配置中發生直通。驅動器還具有欠壓鎖定保護功能，當內部調節器、VIN或BOOT電壓低于閾值時，相應的輸出將被拉低。同時，功率良好（PGOOD）引腳可指示低側線性調節器是否進入欠壓鎖定狀態。

應用案例分析

以TPS7H6005在高壓同步降壓轉換器中的應用為例，詳細介紹設計過程。

設計要求

輸入電源電壓為100V，輸出電壓為28V，輸出電流為10A，開關頻率為500kHz，柵極驅動器輸入電壓為12V，占空比為28%標稱值，最大約35%，電感為15μH，選用EPC2307 GaN FET進行評估，工作模式為PWM。

詳細設計步驟

1. 自舉和旁路電容選擇：自舉電容計算需考慮總柵極電荷、泄漏電流和開關頻率等因素，最終選擇100nF X7R電容。VIN電容應至少為自舉電容的10倍，選用2.2μF和1μF的陶瓷X7R電容。同時，在BP5H、BP5L和BP7L輸出端選用1μF X7R陶瓷電容。
2. 自舉二極管選擇：自舉二極管需具有足夠的耐壓能力，能夠承受功率級輸入電壓，同時應具備低正向電壓降、低結電容和快速恢復時間等特性。評估中選用150V、1A額定值的肖特基二極管。
3. 柵極電阻選擇：柵極電阻用于抑制寄生電容和電感引起的振蕩，同時可調節驅動強度。本設計中，導通和關斷路徑均選用2Ω電阻。
4. 死區時間電阻選擇：為避免高低側FET直通，同時減少GaN FET的第三象限導通時間，目標死區時間約為25ns，選用30kΩ電阻。
5. 柵極驅動器損耗計算：柵極驅動器的損耗包括靜態功率損耗、泄漏電流功率損耗和柵極電荷充放電損耗等。通過相應的公式計算，可評估驅動器的功率損耗情況。

布局建議

由于增強型GaN FET具有小柵極電容和米勒電容，能夠實現快速開關速度，但也對電路布局提出了更高要求。以下是一些布局建議：

1. 將GaN FET盡可能靠近柵極驅動器放置，以減小整體環路電感，降低噪聲耦合。
2. 最小化自舉充電路徑的環路面積，因為該路徑可能包含高峰值電流。
3. 將所有旁路電容（VIN到AGND、BP5L到AGND、BP5H到ASW、BOOT到ASW）盡可能靠近器件和相應引腳放置，選用低ESR和ESL的電容。
4. 分離功率走線和信號走線，減少不同層信號的重疊。
5. 使用短而低電感的路徑連接PSW到高側FET源極和PGND到低側FET源極，以減少開關時的負電壓瞬變。
6. 在GaN FET附近放置低ESR電容，以防止輸入電源總線上的過度振蕩。

總結

TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅動器憑借其卓越的輻射性能、靈活的工作模式和強大的驅動能力，為電子工程師在復雜環境下的設計提供了可靠的解決方案。在實際應用中，我們需要根據具體需求，合理選擇器件參數和布局方式，以確保電路的高性能和可靠性。你在使用類似驅動器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。