Nelle applicazioni energetiche, i dispositivi a nitruro di gallio (GaN) hanno significativi vantaggi di prestazioni ed efficienza rispetto ai dispositivi MOSFET a silicio tradizionali.I dispositivi a nitruro di gallio possono soddisfare le esigenze di varie industrieTuttavia, per alcune applicazioni, dovranno affrontare importanti sfide di progettazione.
Dai caricabatterie compatti USB-C ai caricabatterie per auto elettroniche alle applicazioni solari e di data center, i progettisti sono desiderosi di utilizzare la tecnologia dei semiconduttori GaN per creare dispositivi più piccoli, leggeri,e migliori prodotti di raffreddamento.
Data la velocità di commutazione rapida dei dispositivi GaN, i progettisti dovranno affrontare molteplici sfide, tra cui l'induttanza parassitaria, requisiti di controllo del cancello più precisi, corrente di perdita del cancello,e calo di tensione di conduzione inversa.
Un regolatore GaN dedicato è una scelta ideale per la progettazione di alcune applicazioni basate su GaN.I progettisti possono utilizzare semplici driver GaN FET dedicati, come ad esempio il driver GaN LT8418 100V a mezzo ponte con interruttore di avvio intelligente integrato (figura 1).
Figura 1: driver GaN dedicato LT8418 di ADI. (Fonte immagine: Analog Devices, Inc.)
Questo dispositivo utilizza un driver di cancello separato per controllare con precisione il tasso di eliminazione del GaN FET durante i periodi di accensione e spegnimento, sopprimendo così il suono e migliorando le prestazioni EMI.Il dispositivo utilizza anche l'imballaggio a livello di chip a livello di wafer (WLCSP) per ridurre al minimo l'induttanza parassitaria.
Inoltre, è possibile scegliere controller più complessi, come i controller dual buck DC/DC dual buck LTC7890 e LTC7891 (Figura 2) per GaN FET.
Figura 2: controllore di regolazione di commutazione ADI LTC7891 DC/DC ad alte prestazioni adatto a GaN FET. (Fonte immagine: Analog Devices, Inc.)
A differenza delle soluzioni MOSFET in silicio, i dispositivi LTC7890/LTC7891 non richiedono diodi protettivi o altri componenti esterni.La tensione di azionamento del cancello di questi dispositivi può essere regolata con precisione tra 4 V e 5 V..5 V per ottimizzare le prestazioni e supportare l'uso di altri GaN FET o MOSFET a livello logico.
Quando il controller di silicio è l'unica opzione
Attualmente non esiste un regolatore GaN dedicato per componenti chiave come i regolatori di potenziamento a 4 interruttori.gli ingegneri possono essere in grado di utilizzare controller originariamente progettati per i MOSFET per guidare i GaN FET, migliorando così la potenza e l'efficienza. Se i regolatori per dispositivi al silicio sono utilizzati direttamente nelle applicazioni GaN, è necessario prestare particolare attenzione alla selezione dei componenti e alla progettazione delle schede di circuito,e possono essere necessari anche altri circuiti.
Nei convertitori ad alta potenza, la tensione di uscita dei driver di cancello tradizionali è di solito superiore a 5 V, in genere tra 7 V e 10 V, e talvolta anche superiore.può causare problemi perché la tensione massima nominale del gate di GaN FET è di solito solo 6VAnche se questo limite viene superato brevemente a causa di picchi di tensione o di suono causati da induttanza errante sul PCB, può danneggiare permanentemente il dispositivo GaN.
Per evitare questi problemi, i progettisti devono scegliere correttamente il controller e monitorare attentamente il layout del PCB, in particolare intorno al gate e ai percorsi di ritorno della fonte,al fine di mantenere la bassa induttanza il più possibile e ridurre il sovraccarico di tensione inutile.
Molti driver MOSFET utilizzano driver di cancelli di silicio non regolamentati, ma la loro tensione può superare la tensione massima assoluta del GaN FET.occorre prendere in considerazione la gestione della tensione di azionamento del cancello, regolando l'alimentazione del bootstrap, e ottimizzando il tempo morto.
Il dispositivo di potenziamento del buck a 4 interruttori deve utilizzare un regolatore di cancello a 5 V per evitare sovratensioni inaspettate nel GaN FET.È inoltre importante introdurre componenti protettivi quali circuiti di pinza o limitatori di tensione del cancello per proteggere il cancello da sovratensioni accidentali.
Utilizzando un diodo Zener da 5,1 V in parallelo con un condensatore bootstrap, il LT8390A di ADI può essere utilizzato come controllore di cancello da 5 V (figura 3).quindi il dispositivo è sempre entro il raggio di funzionamento sicuroPer fornire una maggiore protezione, una resistenza da 10 Ω può essere collegata in serie con un circuito bootstrap per ridurre eventuali fenomeni di suono che possono essere causati da nodi di commutazione ad alta potenza molto veloci.