使用单个 PWM 信号控制 GaN 半桥功率级

分立氮化镓 (GaN) FET 的兴起增加了对更用户友好界面的需求，同时也提高了效率。半桥 GaN 功率级（例如LMG5200）具有用于高低 GaN FET 的单独驱动输入。两个输入（图 1 中的引脚 4 和 5）使我们能够优化效率，因为我们可以调整每个 FET 开启和关闭的确切点。

LMG5200器件是一个80-V、10-A驱动器加上氮化镓半桥功率级，提供了一种使用增强型氮化镓（氮化镓）场效应晶体管的集成功率级解决方案。该器件由两个80伏氮化镓场效应管组成，由一个半桥结构的高频氮化镓场效应管驱动器驱动。
氮化镓场效应晶体管具有接近零的反向恢复和非常小的输入电容C-ISS，为功率转换提供了显著的优势。所有器件均安装在完全无引线的封装平台上，封装寄生元件最小化。LMG5200器件采用6mm×8mm×2mm无铅封装，可轻松安装在PCB上。
TTL逻辑兼容输入可承受高达12 V的输入电压，无论VCC电压如何。专有的自举电压箝位技术确保增强型氮化镓FET的栅极电压在安全工作范围内。

图 1：LMG5200 GaN 半桥功率级图

但是这个选项也伴随着责任。为了防止在 FET 之间切换期间发生击穿，我们必须在一个 FET 的关闭和另一个 FET 的开启之间提供一个死区时间。

这就是为什么我们不应该只使用脉宽调制 (PWM) 信号及其反信号来驱动高低输入，因为我们必须在一个输入的下降沿和另一个输入的上升沿之间产生等待时间（图 2）。

图 2：具有死区时间延迟的反相驱动器输入信号

LMG5200 GaN 半桥功率级的评估板使用经典的延时电路来产生这种微小的延迟。标志性书籍“电子艺术”的粉丝们会认为该设置是第一章中的实际示例之一。虽然书中给出的示例会在方波的两个边缘产生延迟，但 TI 设计人员对电路板进行了调整，使其仅在上升沿插入延迟。这正是我们需要的行为。

死区时间发生器原理图

用户指南记录了评估板的完整原理图。图 3 显示了产生具有死区时间的高驱动信号和低驱动信号的模块。 

图 3：死区时间发生器原理图

如果我们抽象出二极管、电阻器和电容器，电路会从 PWM 输入生成同相和反相信号。总会有半桥的一侧打开而一侧关闭。无源元件会为我们产生死区时间，所以让我们更深入地研究一下这部分。

“电子艺术”

在“电子艺术”的第 1 章中，作者介绍了一个延时电路。它使用一个 RC 电路 - 两侧是两个互补金属氧化物半导体 (CMOS) 缓冲器 - 将短延迟粘合到 PWM 信号的两侧（图 4）。

图 4：《电子艺术》中的延时电路与 TI 非对称延时发生器的比较

在 TI 的参考设计中，与电阻并联的快速开关肖特基二极管在其中一个边沿期间绕过 RC 延迟。

具有死区时间的高低信号

让我们按照评估板原理图的 HI 信号路径（图 3 中的 D4、R2 和 C35）。二极管 D4 在输入 A 的下降沿绕过 R2（图 3 和图 5 中的信号 1）。在第一个反相器（信号 6）的输出端，该输入信号的下降沿变为上升沿。二极管导通，RC 电路的 R 分量几乎为 0。RC 常数也几乎为 0。因此，该电路实际上没有给该边沿增加延迟（信号 7）。在第二个反相器之后，它再次变为下降沿（信号 8 和 10）。

图 5：从简单输入到带死区时间的反相输出的信号转换

当输入信号上升时（再次在信号 1 处），反相器后的信号变为下降沿（信号 6）。二极管 D4 阻止并单独留下 R2。你得到一个真正的 47Ω 和 100pF 的 RC 电路。这会将边缘变成斜坡（信号 7）。第二个逆变器的施密特触发器前端将确保输出信号以可预测的电压（和可预测的时间）翻转。因此结果是输出（信号 8 和 10）的上升沿将滞后于输入信号。这就是我所追求的效果。

LO 信号路径的作用完全相同。该路径输入端的附加反相器可确保双方都能看到并处理相反的信号：一个用于驱动高端 FET，一个用于驱动低端 FET。结果，我们将获得两个相关信号，如图 2 所示。一个信号仅在另一个关闭后才变为高电平，并且在该死区时间过去之后，这是我们的最终目标。

图 6 显示了LMG5200在两个转换时的两个输入的捕获。

图 6：捕获两个驱动器信号的 HI-LO 和 LO-HI 转换。

我们可以根据需要改变输入信号的占空比和频率。死区时间将保持不变。

通过使用经典的延时电路，我们可以使用简单的 PWM 信号安全地驱动 GaN 半桥功率级，并以可变占空比控制其输出。我们在开关应用程序中产生死区时间的方法是什么？