L'obiettivo di aumentare l'efficienza energetica e l'affidabilità, riducendo al contempo le dimensioni complessive della soluzione, è prevalente nelle moderne applicazioni di elettronica di potenza. Tali applicazioni includono inverter di trazione per veicoli elettrici, convertitori di data center e UPS, raccolta di energia solare/eolica e centinaia di milioni di piccoli convertitori che alimentano dispositivi high-tech utilizzati ogni giorno nelle case e negli uffici di tutto il mondo.
Introduzione: la Promessa di una Bandgap Ampia
Interruttori di alimentazione a bandgap larga (WBG) sono emersi per affrontare queste sfide. La sostituzione di semiconduttori convenzionali in silicio con dispositivi WBG potrebbe aumentare l'efficienza tipica del convertitore DC/DC da circa l'85% a circa il 95% o incrementare l'efficienza tipica dell'inverter DC/AC dal 96% al 99%.
Tra i dispositivi WBG attualmente sul mercato, i transistor al nitruro di gallio (GaN) ad alta mobilità elettronica (HEMT) offrono vantaggi significativi rispetto alle alternative esistenti basate sul silicio, come i transistor a supergiunzione, fino a valori di tensione di circa 600V. I vantaggi includono capacità di ingresso e uscita significativamente più basse (Ciss e Coss), che si traducono in minori perdite di commutazione. Inoltre, la capacità Miller di un transistor GaN è molto inferiore rispetto a un MOSFET con paragonabile RDS(ON). Quindi il dispositivo GaN può essere acceso e spento molto più velocemente, il che, a sua volta, consente l'uso di trasformatori e componenti passivi più piccoli. Inoltre, una minore resistenza in ingresso per unità di superficie porta a perdite di conduzione ridotte e libera i progettisti dall'obbligo di ottenere un compromesso favorevole tra perdite di energia, dimensioni del dispositivo, e costi e dimensioni della gestione termica come i dissipatori di calore.
GaN nel Mercato
Fino a poco tempo fa, la tecnologia GaN è stata proibitivamente costosa rispetto alle più affermate alternative basate sul silicio. Lo sviluppo del transistor a supergiunzione, sbloccando ulteriori miglioramenti nella figura di merito per la tecnologia del silicio, è stato uno dei fattori che ha frenato l'adozione diffusa dei dispositivi GaN. Ora, comunque, poiché ulteriori sviluppi ed economie di scala rendono GaN economicamente sostenibile, e la pressante richiesta di migliorare ulteriormente le prestazioni e l'efficienza della conversione di potenza, i dispositivi GaN sono pronti ad uscire sempre più vittoriosi dalle scelte di progettazione.
Fondamentalmente, i transistor di potenza GaN sono o dispositivi in modalità esaurimento, che sono normalmente accesi e richiedono una tensione di gate negativa rispetto agli elettrodi di drain e source per spegnersi, o in modalità arricchimento (o e-mode). Questi ultimi sono normalmente spenti e vengono accesi da una tensione di gate positiva.
I dispositivi in modalità Esaurimento possono offrire prestazioni e robustezza superiori, sebbene necessitino di un'attenta gestione dell'avvio del sistema per evitare cortocircuiti potenzialmente pericolosi. In una topologia a mezzo ponte che contiene FET GaN in modalità esaurimento come entrambi gli interruttori superiore ed inferiore, ad esempio, i circuiti di controllo del gate devono essere accesi prima per fornire polarizzazione negativa e mantenere i transistor spenti, per impedire l'avviamento del bus DC in un corto circuito. Un'alternativa è utilizzare un transistor GaN in modalità di esaurimento nella configurazione cascode con un MOSFET in silicio a bassa tensione. Come mostra la figura 1, il source del transistor GaN è collegato al drain del MOSFET in silicio e il source del MOSFET in silicio è collegata al gate del transistor GaN. Quando nessuna polarizzazione viene applicata al gate del MOSFET in silicio, la sua tensione drain-source (Vds) polarizza negativamente il gate del transistor GaN, per mantenere il dispositivo spento. I transistor di potenza GaN in configurazione cascode come l'ON Semiconductor NTP8G202NG sono già sul mercato.
Figura 1: la configurazione cascode offre i vantaggi prestazionali del GaN con la normale convenienza.
Un GaN HEMT in modalità arricchimento, essendo normalmente spento, elimina i problemi di cortocircuito all'avvio. Un dispositivo come il GaN Systems GS66516B 650V semplifica ulteriormente la progettazione operando da una bassa tensione di gate di soli 0-6 V e tollerando tensioni transitorie sul gate da -20 a + 10 V. Con sei contatti ed un contenitore progettato per il raffreddamento dal lato inferiore, oltre ad una bassa RDS(on) da 25 mΩ, è in grado di gestire correnti di drain-source fino a 10 A, mentre la frequenza di commutazione può raggiungere anche i 10 MHz.
Design del Circuito di Commutazione
Come qualsiasi altro dispositivo di potenza, i transistor GaN necessitano di un driver (sistema di pilotaggio) del gate adeguatamente configurato e accoppiato per garantire che il dispositivo sia acceso e spento completamente, rapidamente e senza problemi involontari. Per ottenere ciò, il driver deve essere in grado di caricare rapidamente la capacità del gate del transistor per accendere il dispositivo, senza indurre oscillazioni o sovraelongazioni. Quando si spegne, deve scaricare rapidamente il gate, ancora senza oscillazioni o sovraelongazioni. Prestazioni costanti e un controllo corretto del tempo di skew sono essenziali per evitare cortocircuiti "a cascata" nelle configurazioni a ponte.
Ci sono tre fattori chiave da considerare quando si pilotano i dispositivi GaN. Questi sono la massima tensione di gate ammissibile, la tensione di soglia del gate e la caduta di tensione del diodo body. Poiché la tensione gate-source per un dispositivo GaN in modalità arricchimento come il GS66516B è 6 V ovvero circa la metà di quello di un MOSFET, è più semplice generare le tensioni e le correnti di accensione/spegnimento richieste. La tensione di gate ha anche un coefficiente di temperatura negativo inferiore, che semplifica la compensazione del driver. La caduta di tensione diretta del diodo body intrinseco del transistor è di circa 1 volt superiore rispetto ai MOSFET di silicio comparabili.
I tempi di accensione generali di GaN sono circa quattro volte più rapidi dei MOSFET con la stessa RDS(ON), mentre il tempo di spegnimento è circa il doppio. Sebbene ciò apporti vantaggi a livello di sistema, è necessario prestare particolare attenzione quando si considerano i problemi dinamici del driver e dei circuiti associati. Lo slew rate dV/dt può essere maggiore di 100 V/nsec, il che può influire negativamente sull'efficienza creando una condizione di shoot-through tra i dispositivi accoppiati in un ponte durante la transizione di commutazione.
Per impedire ciò, la resistenza di pull-up del driver di gate può essere regolata per ottenere il tempo di transizione desiderabile più rapido senza indurre altri meccanismi di perdita indesiderati. Inoltre, questo aiuta ad evitare sovraelongazioni e oscillazioni e così può prevenire false anomalie di accensione/spegnimento e minimizzare la generazione di EMI. In pratica, potrebbe anche essere necessario aggiungere sfere di ferrite in serie con il gate per ridurre oscillazioni e sovraelongazioni LC ad alta frequenza, ed eventualmente aggiungere un "soppressore" RC attraverso il cammino gate-source.
La figura 2 riepiloga graficamente il comportamento all'accensione del transistor GaN e evidenzia i problemi che devono essere presi in considerazione per garantire un funzionamento affidabile. Allo stesso modo, la figura 3 illustra il caso di spegnimento.
Figura 2: fattori da considerare quando si organizza l'accensione del transistor GaN (Fonte: GaN Systems).
Figura 3: situazione di spegnimento del transistor GaN (Fonte: GaN Systems).
Per i dispositivi GaN in cui la tensione di soglia è bassa, la resistenza di pull-up può essere ottimizzata individualmente per le condizioni di accensione e spegnimento semplicemente suddividendo i collegamenti di pull-up e pull-down nel driver del gate per consentire a un resistore discreto di essere inserito (Figura 4).
Figura 4: l'ottimizzazione indipendente delle resistenze di accensione e spegnimento contribuisce a ridurre al minimo gli effetti indesiderati. (Fonte: GaN Systems).
L'ottimizzazione del rapporto di resistenza di accensione/spegnimento del gate è necessaria per ottimizzare le prestazioni di pilotaggio e la stabilità. Il resistore di accensione del gate è in genere compreso tra 10 e 20Ω. Se è troppo grande, lo slew rate dV/dt di accensione viene ridotto, portando a una commutazione più lenta e a perdite maggiori. Al contrario, se lo slew rate è troppo basso, le perdite di commutazione possono derivare dall'attivazione dell'effetto Miller e dall'eventuale oscillazione del gate. Se la resistenza di accensione del gate è 10-20Ω, solitamente è necessaria una resistenza di spegnimento di circa 1-2Ω per un pull-down veloce e robusto con impedenza minima.
Selezione del Driver di Gate
Un driver di gate integrato come il TI LMG1205 è progettato per gestire molte delle sottigliezze del pilotaggio dei transistor GaN, consentendo al tempo stesso all'utente di personalizzare il design del dispositivo selezionato, la velocità di commutazione e altri fattori. LMG1205 è ottimizzato per l'uso con dispositivi in modalità arricchimento e può pilotare i commutatori high-side e low-side in configurazione sincrona buck, boost o half-bridge. Ingressi indipendenti per le uscite high-side e low-side offrono flessibilità per i progettisti. Il driver può fornire fino a 1,2 A e assorbire fino a 5 A per prevenire l'accensione indesiderata durante le transizioni e dispone di uscite split-gate per consentire l'ottimizzazione della corrente per ciascun caso in modo indipendente. Inoltre, per garantire un'elevata efficienza ed evitare shoot through durante il pilotaggio degli interruttori high-side e low-side, l'LMG1205 ha un ritardo di propagazione basso di 35ns (tipico), che è pari a 1.5ns tra i canali.
Oltre a LMG1205, o alternative come la serie Si827x di Silicon Labs, la famiglia Analog Devices ADuM4223A/B e Maxim MAX5048C, progettate specificamente per pilotare dispositivi GaN, i progettisti potrebbero utilizzare un esistente driver MOSFET, a condizione che presenti prestazioni e caratteristiche adeguate e frequenza di commutazione relativamente bassa. Oltre a scegliere il driver più adatto e a progettare i circuiti circostanti, i progettisti devono considerare tutti i problemi usuali per garantire la corretta commutazione dei semiconduttori di potenza. Questi includono l'ottimizzazione della disposizione dei circuiti e delle tracce per minimizzare le induttanze parassite e posizionare il driver il più vicino possibile al gate del transistor per minimizzare l'accoppiamento esterno gate-drain. Potrebbe essere necessaria una connessione Kelvin-source per ridurre al minimo l'induttanza di source comune, e potrebbe anche essere considerato l'isolamento galvanico delle piste di alimentazione.
Conclusione
I transistor GaN di potenza commerciali con valori di tensione di rottura fino a 600 V sono ora sul mercato, consentendo ai progettisti di potenza di sfruttare i vantaggi in termini di prestazioni dei semiconduttori ad ampia bandgap rispetto ai dispositivi in silicio come i transistor a supergiunzione. Per sfruttare al meglio la velocità e le capacità superiori dei nuovi dispositivi è necessario un design accurato dei circuiti di accensione/spegnimento, compresa l'applicazione di principi di progettazione ad alta frequenza, una commutazione affidabile e un'efficienza energetica ottimale.
A cura di Rudy Ramos, Mouser Electronics Distributore autorizzato - www.mouser.it
La tecnologia GaN sta trovando impiego anche nel settore lighting, credo che trasformerà una buona parte dell’elettronica.