TPS7H60x5系列半橋GaN FET柵極驅(qū)動器：太空應(yīng)用的理想之選

在電子工程領(lǐng)域，特別是太空應(yīng)用中，對高性能、高可靠性的電子元件需求極高。德州儀器（TI）的TPS7H60x5系列輻射加固半橋GaN FET柵極驅(qū)動器，憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多工程師的首選。本文將深入探討該系列驅(qū)動器的特點(diǎn)、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：tps7h6005-sep.pdf

一、產(chǎn)品概述

TPS7H60x5系列包括TPS7H6005（200V額定值）、TPS7H6015（60V額定值）和TPS7H6025（22V額定值）三款產(chǎn)品，均采用56引腳HTSSOP塑料封裝，有QMLP和SEP兩種器件等級可供選擇。該系列驅(qū)動器專為高頻、高效、大電流應(yīng)用而設(shè)計(jì)，適用于太空衛(wèi)星電源、電機(jī)驅(qū)動、反應(yīng)輪等多種太空應(yīng)用場景。

二、關(guān)鍵特性

2.1 輻射性能卓越

• 總電離劑量（TID）耐受性：輻射加固保證（RHA）高達(dá)100krad(Si)的總電離劑量，能夠在輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作。
• 單粒子效應(yīng)免疫：對單粒子瞬態(tài)（SET）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)艠O破裂（SEGR）免疫，線性能量轉(zhuǎn)移（LET）高達(dá)75 MeV - cm2 / mg；SET和單粒子功能中斷（SEFI）特性表征也達(dá)到了LET = 75 MeV - cm2 / mg。

2.2 強(qiáng)大的驅(qū)動能力

• 高電流輸出：具有1.3A的峰值源電流和2.5A的峰值灌電流，能夠?yàn)镚aN FET提供足夠的驅(qū)動能力。
• 快速響應(yīng)：獨(dú)立輸入模式下典型傳播延遲為30ns，典型延遲匹配為5.5ns，確保了快速的開關(guān)響應(yīng)。

2.3 靈活的工作模式

• 雙工作模式：提供單PWM輸入（可調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間）和兩個獨(dú)立輸入兩種工作模式，滿足不同應(yīng)用需求。
• 輸入互鎖保護(hù)：在獨(dú)立輸入模式下，可選擇輸入互鎖保護(hù)，防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，提高系統(tǒng)可靠性。

2.4 其他特性

• 可調(diào)節(jié)開關(guān)時(shí)間：采用分離輸出，可獨(dú)立調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。
• 低功耗：塑料封裝經(jīng)過ASTM E595標(biāo)準(zhǔn)的放氣測試，適用于軍事溫度范圍（–55°C至125°C）。

三、應(yīng)用案例

3.1 太空衛(wèi)星電源

在太空衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，TPS7H60x5系列驅(qū)動器可用于同步降壓轉(zhuǎn)換器，通過PWM模式生成主輸出和同步整流輸出，實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。同時(shí)，其輻射加固特性確保了在太空輻射環(huán)境下的可靠運(yùn)行。

3.2 電機(jī)驅(qū)動

在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，獨(dú)立輸入模式（IIM）可用于獨(dú)立控制低側(cè)和高側(cè)，實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)控制。輸入互鎖保護(hù)功能可防止電機(jī)驅(qū)動過程中的短路故障，提高系統(tǒng)的安全性。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 電源供應(yīng)

• 輸入電壓：推薦的偏置電源電壓范圍為10V至14V，輸入電壓應(yīng)穩(wěn)定且經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐月诽幚怼?/li>
• BOOT電壓：為高側(cè)驅(qū)動器供電的BOOT電壓應(yīng)在8V至14V之間，需盡量減小自舉充電路徑上的電壓降，防止高側(cè)驅(qū)動器進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)。

4.2 自舉電路設(shè)計(jì)

• 自舉電容：自舉電容連接在BOOT和ASW之間，其值應(yīng)至少為高側(cè)GaN FET柵極電容的10倍。可根據(jù)公式 (Q{total }=Q{g}+I{QBG} × frac{D{MAX}}{f{SW}}+frac{I{QHS}}{f_{SW}}) 計(jì)算所需的最小自舉電容值。
• 自舉二極管：自舉二極管需能承受功率級輸入電壓，具有低正向電壓降、低結(jié)電容和快速恢復(fù)時(shí)間。需滿足 (V{IN}-left(n × V{F}right) geq V_{BOOT_UVLO }) 條件，避免觸發(fā)BP5H調(diào)節(jié)器的欠壓鎖定。
• 自舉電阻：推薦使用至少2Ω的自舉電阻，以限制啟動時(shí)的峰值電流和控制BOOT端的壓擺率。

4.3 死區(qū)時(shí)間設(shè)置

在PWM模式下，需在DLH和DHL引腳連接到AGND的電阻來編程死區(qū)時(shí)間。可根據(jù)公式 (R{HL}=1.077× T{DHL}+1.812) 和 (R{LH}=1.077× T{DLH}+1.812) 計(jì)算所需的電阻值，以防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)最小化死區(qū)期間的損耗。

4.4 布局設(shè)計(jì)

• 元件布局：將GaN FET盡可能靠近柵極驅(qū)動器放置，減小整體環(huán)路電感和噪聲耦合。自舉電容和旁路電容應(yīng)靠近相應(yīng)引腳，且使用低ESR和低ESL的電容。
• 走線設(shè)計(jì)：分離電源走線和信號走線，避免不同層信號重疊。使用短而低電感的路徑連接PSW到高側(cè)FET源極，PGND到低側(cè)FET源極。

五、總結(jié)

TPS7H60x5系列半橋GaN FET柵極驅(qū)動器以其卓越的輻射性能、強(qiáng)大的驅(qū)動能力和靈活的工作模式，為太空應(yīng)用和其他對可靠性要求較高的應(yīng)用提供了理想的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇元件參數(shù)和布局方式，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用該系列驅(qū)動器時(shí)遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。