
Questo articolo riguarda le considerazioni e le sfide uniche connesse all'utilizzo degli switch GaN negli alimentatori a commutazione. Presenta una soluzione sotto forma di driver GaN specializzato, che fornisce le funzioni necessarie ad un progetto robusto e affidabile. Inoltre, l'articolo suggerisce l'utilizzo del tool LTspice®, adatto all'implementazione efficace degli interruttori GaN.
Introduzione
Il nitruro di gallio (GaN), un semiconduttore III-V, possiede caratteristiche eccezionali per gli alimentatori switching (SMPS, Switch Mode Power Supply). Grazie all'elevata rigidità dielettrica, alle basse perdite di commutazione e all'elevata densità di potenza, la tecnologia GaN è diventata sempre più diffusa. Oggi sono disponibili numerosi switch basati sulla tecnologia GaN. Tuttavia, il loro utilizzo è in parte limitato dalla necessità di implementare un approccio di pilotaggio diverso rispetto ai tradizionali MOSFET al silicio.

Figura 1: Azionamento degli switch di potenza in un SMPS
La Figura 1 mostra lo stadio di potenza di una configurazione half-bridge comunemente utilizzata nei convertitori a commutazione step-down (tecnologia buck). Quando si utilizzano gli switch GaN in questa configurazione, è fondamentale considerare che in genere tollerano una tensione massima di gate inferiore rispetto ai loro omologhi al silicio. Pertanto, durante il processo di pilotaggio è essenziale rispettare rigorosamente il limite massimo di questa tensione.
Inoltre, è importante tenere conto della rapidità di reazione del nodo di commutazione, che collega gli switch high-side e low-side. Questa alta velocità di commutazione non deve provocare la conduzione accidentale degli switch GaN, una condizione di malfunzionamento non comune negli switch al silicio convenzionali. Il problema può essere attenuato implementando linee di controllo del gate separate per i fronti ascendenti e discendenti.
Inoltre, nelle topologie a ponte, gli switch GaN presentano perdite di linea maggiori durante i tempi morti. Di conseguenza, quando si utilizzano gli switch GaN in un'applicazione bridge, è necessario ridurre al minimo il dead time per garantire prestazioni ottimali.

Figura 2: L'LT8418, un driver half-bridge da 100 V per switch GaN
Per rispondere efficacemente alle esigenze di controllo specifiche degli switch GaN, si consiglia di utilizzare circuiti integrati di pilotaggio specializzati per GaN, come l’LT8418. La Figura 2 mostra un'applicazione di questo driver in un regolatore switching downconverting. Il driver bridge GaN dell'LT8418 offre una capacità di pilotaggio fino a 4 A per la carica del gate e fino a 8 A per la sua scarica durante lo spegnimento. Utilizzando linee di controllo separate per carica e scarica, è possibile ottenere tempi di salita e discesa diversi, garantendo un funzionamento robusto.
Il circuito di Figura 2 raggiunge un'efficienza di conversione di circa il 97% con una tensione di ingresso di 48 V, una tensione di uscita di 12 V e una corrente di carico di 12 A. In particolare, questa elevata efficienza viene raggiunta con una frequenza di commutazione di 1 MHz.
Quando si progetta uno stadio di potenza con switch GaN, è necessario prestare molta attenzione all'ottimizzazione del layout di scheda. I fronti di commutazione veloci, combinati con le induttanze parassite, possono causare un'elevata radiazione elettromagnetica indesiderata. Per ridurre al minimo queste induttanze parassite, è essenziale una progettazione compatta del circuito. Per questo motivo, il driver bridge LT8418 è inserito in un package wafer-level chip scale (WLCSP) compatto di soli 1,7 mm per 1,7 mm.
Per sperimentare in modo rapido ed efficiente il controllo degli switch GaN, si consiglia di utilizzare l'ambiente di simulazione gratuito LTspice, il quale include un modello di simulazione completo del driver GaN LT8418, comprensivo dei circuiti esterni.
La Figura 3 illustra uno schema dell’LT8418 per la valutazione in LTspice.

Figura 3: Valutazione di un SMPS con switch di potenza GaN nell'ambiente di simulazione LTspice
Conclusione
Da prodotti di nicchia, gli switch GaN sono diventati un elemento di spicco nell'elettronica di potenza. I loro vantaggi in termini di efficienza e densità di potenza li rendono interessanti per diverse applicazioni, tra cui la conversione di tensione, il pilotaggio di motori elettrici e gli amplificatori audio in classe D. Grazie alla disponibilità di moduli driver ottimizzati come l'LT8418, il controllo di questa nuova tecnologia circuitale è diventato semplice e affidabile. Di conseguenza, gli switch GaN rappresentano un notevole potenziale per il progresso dell'elettronica di potenza.
