Cómo seleccionar FETs de GaN para aplicaciones de RF y automotrices

Todos los dispositivos electrónicos necesitan algún nivel de conversión, regulación y acondicionamiento de energía, pero las conversaciones sobre la eficiencia energética nunca han estado más en primer plano de la discusión en tecnología avanzada. Las consideraciones sobre la entrega y conversión de energía solían centrarse más en el ruido y el calor, mientras que hoy, estas consideraciones ahora se enfocan en estrategias a medida para sistemas avanzados. Siempre que tenga necesidades de conversión de energía, también necesita asegurar la menor disipación de calor posible ya que esto es crítico para la fiabilidad del dispositivo.

Los sistemas inalámbricos son un área donde se necesita una eficiencia energética muy alta con una mínima disipación de energía en las etapas de amplificador de potencia y transmisor. Con noticias de modems 5G en nuevos smartphones apagándose en 2019, la industria se enfrentó a problemas de gestión de calor en sistemas RF, tanto en términos de gestión de energía como de entrega de energía RF. Hoy, los sistemas de gestión de energía automotriz presentan desafíos similares, que requieren los componentes adecuados y soluciones innovadoras para la entrega y regulación de energía.

Los GaN FETs ofrecen soluciones en ambas áreas gracias a sus límites de potencia muy altos, límites de frecuencia altos y alta conductividad térmica en un sustrato de SiC o Si. Los GaN FETs ahora se están volviendo más prevalentes, con muchos modelos accesibles desde los principales distribuidores. La pregunta es, ¿cómo se deben seleccionar los GaN FETs y cuáles son las especificaciones importantes a considerar en sistemas automotrices vs. sistemas RF? En esta guía, examinaremos algunos de estos puntos importantes y mostraremos algunos componentes de ejemplo que son ideales para cada tipo de sistema.

¿Por qué usar GaN FETs?

Esta pregunta se reduce a los criterios importantes utilizados para elegir GaN FETs para sistemas automotrices y dispositivos RF. Los GaN FETs son transistores de alta movilidad de electrones (HEMTs) cuyas propiedades superiores de material y dispositivo los hacen ideales para aplicaciones más avanzadas en sistemas de energía automotriz y dispositivos RF. De alguna manera, estas dos áreas convergen en la conversión de energía en general; estos sistemas de energía funcionan a altas frecuencias de conmutación, alta corriente de salida y, a menudo, a alta tensión.

Las siguientes características materiales de los GaN FETs proporcionan ventajas importantes en electrónica de potencia RF y automotriz:

• Campo de ruptura: GaN tiene un campo eléctrico de ruptura más alto que Si (aproximadamente 15 veces mayor que el de Si), por lo que un dispositivo GaN puede operarse a voltajes más altos que un MOSFET de Si del mismo tamaño.

• Movilidad de electrones: La movilidad de electrones de GaN es mayor que la de Si, por lo que un transistor GaN puede ser físicamente más pequeño que un transistor Si con la misma resistencia R_ON.

• Conductividad térmica: GaN tiene una conductividad térmica más alta que Si (aproximadamente 2 veces mayor), por lo que puede disipar el calor de manera más eficiente en su sustrato o en un disipador de calor.

• Capacitancias: Las capacitancias entre entradas en un GaN FET son menores a las de un MOSFET de Si cuando los dos dispositivos tienen aproximadamente el mismo tamaño físico.

Existen dos variedades comunes de FETs de GaN: aquellos que crecen sobre Si y aquellos sobre SiC. La conductividad térmica del SiC es aproximadamente el 170% de la de GaN, por lo que los FETs de GaN formados mediante el crecimiento heteroepitaxial de GaN sobre SiC son preferidos en aplicaciones de alta potencia. Para aplicaciones de conmutación, como reguladores de conmutación de alta potencia, la posibilidad de tener capacitancias más bajas y valores de R_ON más pequeños permite una entrega de potencia muy rápida, con tiempos de subida del orden de nanosegundos.

Ejemplo de capacitancia de salida y características de conmutación de un FET de GaN. Es posible observar un ligero zumbido cuando se conecta a cargas bajas debido a la inductancia parásita durante la conmutación rápida con estos componentes.

Estas características significan que un FET de GaN generalmente puede funcionar a una alta frecuencia y mayor potencia simultáneamente, ambos necesarios en la electrónica de potencia para aplicaciones de RF y automotrices. La principal preocupación en automoción es la regulación y entrega de potencia a un sistema electromecánico (el motor), mientras que en los sistemas de RF la preocupación es la regulación y entrega de potencia de alta eficiencia a un transceptor y amplificador de potencia. Hay otras aplicaciones en la conversión de potencia donde, se podría argumentar, las mismas características proporcionarían beneficios. Por ejemplo, los próximos sistemas de energía limpia pueden tomar ejemplo de los sistemas de RF e implementar las mismas topologías utilizadas para la conversión de potencia y la carga/descarga en el almacenamiento de energía.

En este punto, profundicemos en la conversión de potencia multiphase para ver algunos de los principales requisitos operativos para los FETs de GaN en sistemas avanzados de potencia automotriz y RF.

Conversión de Potencia de Alta Frecuencia

Cuando decimos “alta frecuencia” en términos de conversión de potencia, nos referimos a la frecuencia de conmutación generalmente utilizada en un controlador PWM o, menos comúnmente, un controlador PFM en un convertidor de conmutación. Si estás familiarizado con los convertidores de conmutación, entonces sabes que las pérdidas por conmutación en un MOSFET pueden reducirse cuando el componente de conducción puede cambiar entre estados más rápidamente (menor tiempo de subida). Además, un MOSFET que puede funcionar a frecuencias de modulación más altas producirá un menor rizado en la tensión/corriente de salida. Esto también permite reducir el tamaño del sistema ya que se necesitaría un inductor más pequeño para alcanzar un objetivo de rizado específico.

Un FET de GaN de tamaño apropiado puede cumplir con estos requisitos siempre que se puedan equilibrar las especificaciones de voltaje transitorio máximo, corriente transitoria y tiempo de conmutación para una frecuencia de conmutación dada. En el evento de que estas tres especificaciones no puedan comprometerse, un diseño puede funcionar en una configuración multiphase, donde el convertidor opera con múltiples etapas en paralelo, pero separadas por fases iguales. De esta manera, el convertidor imita a un convertidor de mayor frecuencia. Dentro de cada etapa, se pueden usar múltiples arreglos paralelos de FETs de GaN para entregar corriente muy alta según sea necesario.

Ejemplo de topología de convertidor conmutado multiphase. Puedes leer más sobre esto en uno de mis artículos recientes.

Operar en modo multiphase de esta manera requiere una selección cuidadosa de componentes en la parte de salida de cada etapa. Para sistemas RF, estos diseños deberían funcionar hasta frecuencias muy altas de ~10 MHz o más. Esta selección, así como una etapa de filtrado y control de salida, se pueden utilizar para asegurar que la potencia de salida siga la envolvente impuesta en la forma de onda de voltaje/corriente de salida por la señal de banda base. Para prevenir el ringing o las oscilaciones no deseadas entre diferentes etapas, normalmente se utiliza un diodo de alto voltaje, justo como lo harías con arreglos paralelos en fase de MOSFETs suministrando corriente simultáneamente. La etapa de controlador y driver en este tipo de diseño necesita ser seleccionada cuidadosamente de tal manera que puedan modular suficientemente los FETs de GaN mientras también operan dentro de un bucle de control para compensar cualquier sobrevoltaje o caída durante la operación.

Especificaciones Importantes

Para las áreas de aplicación importantes descritas aquí, hay cuatro especificaciones principales que deben recibir atención durante el diseño y la selección de componentes:

• Voltaje pico de drenaje a fuente (DC y transitorio): Estos valores aquí son necesarios para la entrega de potencia DC con un encendido suave, o regulación como un elemento de conmutación con encendido rápido. Note que el voltaje pico transitorio será especificado para un tiempo de pulso específico 

• Corriente pico (DC y transitorio): Al igual que los valores de voltaje pico, el valor transitorio será especificado con un tiempo de pulso específico correspondiente a la longitud del pulso de salida.

• Voltaje de puerta: Los voltajes de puerta típicos estarán listados en la hoja de datos del componente, asegúrate de verificar estos para que un FET de GaN pueda ser conducido con el driver de puerta apropiado. Los voltajes de puerta típicos pueden estar en el rango de 10 a 20 V para FETs de GaN de pico DC de ~500-600 V con alta capacidad de manejo de corriente.

• Tiempos de conmutación dinámicos: Estas especificaciones incluyen el retraso de encendido, el tiempo de subida y el tiempo de recuperación inversa para el diodo de cuerpo. Para los FETs de GaN, estos valores están en el orden de 10-100 ns gracias a la menor capacitancia de carga de estos sistemas.

• Capacitancias de entrada/salida: Las capacitancias parásitas en los puertos de entrada y salida del dispositivo también son importantes ya que determinarán la interacción con cargas inductivas, posiblemente llevando a un ringing subamortiguado en el caso de que la carga tenga baja resistencia. Típicamente es suficiente agregar una pequeña resistencia para amortiguar críticamente cualquier transición en el nodo de conmutación.

Tenga cuidado con las capacitancias de entrada y salida en cualquier MOSFET de potencia, incluyendo un GaN FET, al manejar una carga inductiva. En particular, no piense que puede simplemente regular el zumbido en un nodo de conmutación a través de un bucle de retroalimentación y un algoritmo de control. Es probable que su circuito integrado de control de puerta no pueda compensar este zumbido, a menos que haya implementado control en un MCU rápido o FPGA, lo cual es excesivamente costoso. En su lugar, puede operar estos dispositivos a una frecuencia más alta y usar un inductor más pequeño, lo que aún le ayudará a alcanzar su objetivo de rizado.

Ejemplo de GaN FET y Controlador de Puerta

Nexperia, GAN063-650WSAQ

El GAN063-650WSAQ de Nexperia es un excelente ejemplo de un GaN FET de propósito general. Este componente conmuta con hasta 20 V de voltaje de puerta con un rápido tiempo de encendido de 57 ns (10 ns de tiempo de subida de salida). Con solo 10 V de voltaje de puerta, este FET proporciona 34.5 A en DC, con corriente transitoria pico de 150 A con pulsos rápidos de menos de 10 microsegundos. La resistencia en estado ON es de solo 50 mOhms a temperatura ambiente, y solo sube hasta 120 mOhms a 175 °C. El voltaje pico de drenador-fuente en DC en este componente alcanza los 650 V. A continuación, se muestran las características de la corriente de drenaje de salida.

Corriente de drenaje en el GaN FET GAN063-650WSAQ. [Fuente: Hoja de datos de GAN063-650WSAQ]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

El 2EDN7524FXTMA1 de Infineon es un circuito integrado controlador de puerta que se puede usar con GaN FETs. Este componente proporciona tasas de cambio rápido de 5 ns y un retraso de propagación de 17 ns para la conmutación rápida de GaN, lo que lo hace útil en reguladores de conmutación en sistemas RF. Este componente es un controlador de doble canal que puede interfazarse con un ASIC controlador digital. Los voltajes de salida alcanzan hasta 20 V con tiempos de subida típicos de 5.3 ns (máximo de 10 ns, capacitancia de carga de 1.8 nF, 12 V de voltaje de drenaje).

Circuito de aplicación ejemplo para el controlador IC GaN FET 2EDN7524FXTMA1. [Fuente: Hoja de datos de 2EDN7524FXTMA1]

Otros Componentes para Sistemas Con GaN FETs

Los GaN FETs son uno de los bloques de construcción importantes para la regulación y entrega de energía en sistemas de potencia RF y sistemas de potencia automotrices. Sin embargo, necesitará otros componentes para construir su sistema y asegurar una regulación de potencia confiable. Algunos de los otros componentes que necesitará para estos sistemas incluyen:

• Componentes para frentes de radiofrecuencia en sistemas inalámbricos

• Optoacopladores en sistemas aislados

• Amplificador de detección de corriente para regulación de precisión

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