TPS7H6101-SEP：200V、10A GaN半橋功率級的卓越之選

在電子設計領域，功率級器件的性能和可靠性至關重要。今天，我們要深入探討一款令人矚目的產品——TPS7H6101-SEP，這是一款200V、10A的GaN半橋功率級器件，具有諸多出色特性，適用于多種應用場景。

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一、特性亮點

1. 出色的輻射性能

TPS7H6101-SEP經過輻射批次驗收測試（RLAT），總電離劑量（TID）達到50krad(Si)。同時，它對單粒子瞬態（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43 MeV - cm2 / mg，并且對SET和單粒子故障中斷（SEFI）也有良好的耐受能力，這使得它在輻射環境中表現穩定，非常適合航天等對輻射敏感的應用。

2. 高性能GaN FET半橋

采用200V e - mode GaN FET半橋，典型導通電阻 (R_{DS(ON)}) 為15mΩ，可在100kHz至2MHz的頻率范圍內運行，能夠滿足高頻、高效的功率轉換需求。

3. 優化的封裝設計

采用熱優化的12mm × 9mm LGA封裝，帶有散熱墊，集成了柵極驅動電阻，降低了共源電感，實現了高端和低端的電氣隔離。這種封裝設計不僅有助于散熱，還能減少寄生效應，提高電路性能。

4. 靈活的控制模式

支持多種半橋和雙開關電源拓撲，具有低傳播延遲和兩種操作模式：單PWM輸入可調節死區時間，以及兩個獨立輸入。同時，還具備可編程死區時間控制和可選的輸入互鎖保護，為設計提供了極大的靈活性。

5. 可靠的柵極驅動電源

提供5V柵極驅動電源，確保FET的穩定運行，提高了系統的可靠性。

二、應用領域

1. 衛星電源系統

在衛星電氣電源系統（EPS）中，TPS7H6101-SEP的輻射耐受性和高性能使其成為理想的選擇。它能夠在太空輻射環境下穩定工作，為衛星的各種設備提供可靠的電源支持。

2. 電機驅動

在電機驅動應用中，該器件的高頻運行能力和靈活的控制模式可以實現高效的電機控制，提高電機的性能和效率。

三、器件詳細解析

1. 引腳配置與功能

TPS7H6101-SEP采用64引腳LGA封裝，每個引腳都有特定的功能。例如，BOOT引腳是高端線性穩壓器的輸入電壓源，BP5H和BP5L分別是高端和低端5V線性穩壓器的輸出，DHL和DLH用于設置死區時間等。了解這些引腳的功能對于正確使用該器件至關重要。

2. 規格參數

• 絕對最大額定值：包括擊穿電壓、輸入電壓、輸出電壓、電流和溫度等參數，這些參數定義了器件的安全工作范圍，超過這些范圍可能會導致器件損壞。
• ESD額定值：人體模型（HBM）為±1000V，帶電設備模型（CDM）為±250V，在使用過程中需要注意靜電防護，以避免器件受到靜電損壞。
• 推薦工作條件：規定了輸入電壓、輸出電壓、電流、轉換速率和工作溫度等參數的推薦范圍，在這些條件下使用器件可以獲得最佳性能。
• 熱信息：提供了結到環境、結到外殼等的熱阻參數，有助于進行散熱設計，確保器件在正常溫度范圍內工作。
• 電氣特性：包括GaN功率FET的導通電阻、源 - 漏電壓、漏電流，以及電源電流、內部穩壓器輸出電壓、欠壓保護閾值等參數，這些參數反映了器件的電氣性能。
• 開關特性：如柵極驅動時序、開關延遲等參數，對于設計高頻開關電路非常重要。

3. 典型特性

通過一系列圖表展示了器件在不同溫度和輸入電壓下的性能，如導通電阻與結溫的關系、輸出電容與漏 - 源電壓的關系、開關延遲與輸入電壓的關系等。這些典型特性可以幫助工程師更好地了解器件的性能變化規律，進行合理的設計。

四、設計要點

1. 柵極驅動輸入電壓

在穩態運行時，柵極驅動的輸入電壓必須在10V至14V之間，該電壓為兩個低端線性穩壓器BP5L和BP7L提供輸入，同時也用于對外部高端自舉電容充電。為了獲得最佳性能，建議在VIN和AGND之間添加旁路電容，并盡量靠近柵極驅動器放置。

2. 線性穩壓器操作

器件包含三個內部線性穩壓器BP5L、BP7L和BP5H。BP5L為低端邏輯電路和低端柵極驅動電壓供電，BP7L為低端發射器供電，BP5H為高端邏輯電路和高端FET提供5V柵極電壓。每個穩壓器都需要連接適當的電容，并且不建議在文檔規定之外進行外部加載。

3. 自舉操作

自舉電路對于高端柵極驅動電路的供電至關重要。TPS7H6101-SEP提供了多種自舉電容充電方法，包括通過內部自舉開關充電、直接從VIN充電和雙充電選項。在選擇自舉組件時，需要考慮自舉電容、自舉二極管和自舉電阻的參數，以確保器件的正常運行。

4. 死區時間設置

在PWM模式下，需要在DLH和DHL引腳連接到地的電阻來編程死區時間。死區時間的選擇對于減少轉換器中的損耗和避免高低端FET的交叉導通非常關鍵。

5. 輸入互鎖保護

在獨立輸入模式（IIM）下，可以配置輸入互鎖保護，通過將DHL連接到5V，DLH連接一個100kΩ至220kΩ的電阻到地來實現。這種保護可以防止半橋配置中GaN FET的直通，提高功率級的魯棒性和可靠性。

6. 欠壓鎖定和電源良好（PGOOD）

器件具有欠壓鎖定（UVLO）功能，當任何低端線性穩壓器或VIN的輸出電壓低于UVLO閾值時，PWM輸入將被忽略，以防止GaN FET部分導通。PGOOD引腳用于指示低端線性穩壓器是否進入欠壓鎖定狀態。

五、應用示例

以一個100V到28V、10A的衛星總線應用為例，詳細介紹了設計過程，包括自舉和旁路電容的選擇、自舉二極管的選擇等。通過合理的設計，該應用在100kHz和500kHz的開關頻率下都能實現大于95%的效率。

六、總結

TPS7H6101-SEP是一款性能卓越、功能豐富的GaN半橋功率級器件，具有出色的輻射性能、高性能的GaN FET半橋、優化的封裝設計和靈活的控制模式。在衛星電源系統、電機驅動等應用領域具有廣闊的應用前景。在設計過程中，需要充分了解器件的引腳配置、規格參數和設計要點，以確保系統的性能和可靠性。

各位電子工程師們，你們在實際應用中是否遇到過類似的功率級器件設計問題呢？歡迎在評論區分享你們的經驗和見解。