Comment sélectionner des GaN FET pour des applications RF et automobiles

Tous les appareils électroniques nécessitent un certain niveau de conversion, de régulation et de conditionnement de l'énergie, mais les discussions sur l'efficacité énergétique n'ont jamais été aussi prédominantes dans les discussions sur les technologies avancées. Les considérations de livraison et de conversion d'énergie se concentraient davantage sur le bruit et la chaleur, tandis qu'aujourd'hui, ces considérations se concentrent sur des stratégies sur mesure pour les systèmes avancés. Chaque fois que vous avez besoin d'une conversion d'énergie, vous devez également vous assurer de la dissipation de chaleur la plus faible possible car cela est crucial pour la fiabilité de l'appareil.

Les systèmes sans fil sont un domaine où une très haute efficacité énergétique est nécessaire avec une dissipation de puissance minimale dans les étages d'amplificateur de puissance et de l'émetteur. Avec les nouvelles de modems 5G dans les nouveaux smartphones s'arrêtant en 2019, l'industrie a été confrontée à des problèmes de gestion de la chaleur dans les systèmes RF, tant en termes de gestion de l'énergie que de livraison de puissance RF. Aujourd'hui, les systèmes de gestion de l'énergie automobile présentent des défis similaires, qui nécessitent les bons composants et des solutions innovantes pour la livraison et la régulation de l'énergie.

Les GaN FET offrent des solutions dans les deux domaines grâce à leurs limites de puissance très élevées, leurs limites de fréquence élevées et leur haute conductivité thermique dans un substrat SiC ou Si. Les GaN FET deviennent maintenant plus répandus, avec de nombreux modèles accessibles chez les principaux distributeurs. La question est, comment les GaN FET doivent-ils être sélectionnés, et quelles sont les spécifications importantes à considérer dans les systèmes automobiles par rapport aux systèmes RF ? Dans ce guide, nous examinerons certains de ces points importants et montrerons quelques composants exemples idéaux pour chaque type de système.

Pourquoi utiliser les GaN FET ?

Cette question revient aux critères importants utilisés pour choisir les GaN FET pour les systèmes automobiles et les dispositifs RF. Les GaN FET sont des transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) dont les propriétés matérielles et dispositives supérieures les rendent idéaux pour des applications plus avancées dans les systèmes d'alimentation automobile et les dispositifs RF. Dans certains cas, ces deux domaines convergent en matière de conversion d'énergie en général ; ces systèmes d'alimentation fonctionnent à des fréquences de commutation élevées, à un courant de sortie élevé et souvent à haute tension.

Les caractéristiques matérielles suivantes des GaN FET offrent des avantages importants dans l'électronique de puissance RF et automobile :

• Champ de rupture : Le GaN a un champ électrique de rupture plus élevé que le Si (environ 15 fois plus grand que celui du Si), donc un dispositif GaN peut être exploité à des tensions plus élevées qu'un MOSFET Si de même taille.

• Mobilité des électrons : La mobilité des électrons du GaN est supérieure à celle du Si, donc un transistor GaN peut être physiquement plus petit qu'un transistor Si avec la même résistance R_ON.

• Conductivité thermique : Le GaN a une conductivité thermique plus élevée que le Si (environ 2 fois plus grande), donc il peut dissiper la chaleur plus efficacement dans son substrat ou un dissipateur thermique.

• Capacités : Les capacités entre les entrées sur un GaN FET sont plus petites que celles d'un MOSFET Si lorsque les deux dispositifs ont approximativement la même taille physique.

Il existe deux variétés courantes de FET GaN : ceux cultivés sur Si et ceux sur SiC. La conductivité thermique du SiC est d'environ 170 % de celle du GaN, donc les FET GaN formés par croissance hétéroépitaxiale de GaN sur SiC sont préférés dans les applications de haute puissance. Pour les applications de commutation, telles que les régulateurs de commutation de haute puissance, la possibilité de réduire les capacitances et les valeurs de R_ON plus petites permet une livraison de puissance très rapide, avec des temps de montée de l'ordre de nanosecondes.

Exemple de capacitance de sortie et caractéristiques de commutation d'un FET GaN. Il est possible d'observer un léger effet de résonance lorsqu'ils sont connectés à de faibles charges en raison de l'inductance parasite pendant la commutation rapide avec ces composants.

Ces caractéristiques signifient qu'un FET GaN peut généralement fonctionner à une fréquence élevée et à une puissance plus élevée simultanément, ce qui est nécessaire dans l'électronique de puissance pour les applications RF et automobiles. La principale préoccupation dans l'automobile est la régulation et la livraison de puissance à un système électromécanique (le moteur), tandis que la préoccupation dans les systèmes RF est la régulation et la livraison de puissance à haute efficacité à un émetteur-récepteur et à un amplificateur de puissance. Il existe d'autres applications dans la conversion de puissance où, on pourrait le soutenir, les mêmes caractéristiques fourniraient des avantages. Par exemple, les systèmes d'énergie propre à venir peuvent prendre exemple sur les systèmes RF et mettre en œuvre les mêmes topologies utilisées pour la conversion de puissance et la charge/décharge dans le stockage d'énergie.

À ce stade, approfondissons la conversion de puissance multiphasée pour voir certaines des principales exigences de fonctionnement pour les FET GaN dans les systèmes de puissance avancés pour l'automobile et la RF.

Conversion de Puissance à Haute Fréquence

Lorsque nous parlons de « haute fréquence » en termes de conversion de puissance, nous faisons référence à la fréquence de commutation généralement utilisée dans un driver PWM ou, moins couramment, un driver PFM dans un convertisseur à commutation. Si vous êtes familier avec les convertisseurs à commutation, alors vous savez que les pertes de commutation dans un MOSFET peuvent être réduites lorsque le composant de commande peut basculer entre les états plus rapidement (temps de montée inférieur). De plus, un MOSFET qui peut fonctionner à des fréquences de modulation plus élevées produira un ondulation plus faible sur la tension/courant de sortie. Cela permet également de réduire la taille du système car un inducteur plus petit serait nécessaire pour atteindre un objectif d'ondulation spécifique.

Un FET GaN de taille appropriée peut répondre à ces exigences tant que les spécifications de tension transitoire de pointe, de courant transitoire et de temps de commutation peuvent être équilibrées pour une fréquence de commutation donnée. Dans le cas où ces trois spécifications ne peuvent pas être compromis, une conception peut fonctionner dans une configuration multiphasée, où le convertisseur fonctionne avec plusieurs étages en parallèle, mais séparés par des phases égales. De cette manière, le convertisseur imite un convertisseur à fréquence plus élevée. À l'intérieur de chaque étage, des arrangements parallèles multiples de FET GaN peuvent être utilisés pour fournir un courant très élevé selon les besoins.

Exemple de topologie de convertisseur à découpage multiphasé. Vous pouvez en lire plus à ce sujet dans un de mes articles récents.

Fonctionner en opération multiphasée de cette manière nécessite une sélection minutieuse des composants pour la partie de sortie de chaque étape. Pour les systèmes RF, ces conceptions devraient fonctionner jusqu'à des fréquences très élevées de ~10 MHz ou plus. Cette sélection ainsi qu'un étage de filtrage et de contrôle de sortie peuvent être utilisés pour assurer que la puissance de sortie suit l'enveloppe imposée sur la forme d'onde de tension/courant de sortie par le signal de bande de base. Pour éviter les oscillations ou résonances indésirables entre les différentes étapes, une diode à haute tension est normalement utilisée, tout comme vous le feriez avec des arrangements parallèles en phase de MOSFETs fournissant du courant simultanément. L'étage de contrôle et de pilotage dans ce type de conception doit être soigneusement sélectionné de manière à pouvoir moduler suffisamment les GaN FETs tout en fonctionnant dans une boucle de contrôle pour compenser toute surtension ou chute de tension pendant le fonctionnement.

Spécifications Importantes

Pour les domaines d'application importants décrits ici, il y a quatre principales spécifications qui devraient recevoir une attention particulière lors de la conception et de la sélection des composants :

• Tension de crête entre drain et source (DC et transitoire) : Ces valeurs ici sont nécessaires pour la livraison de puissance DC avec un enclenchement doux, ou la régulation en tant qu'élément de commutation avec un enclenchement rapide. Notez que la tension de crête transitoire sera spécifiée pour un temps d'impulsion spécifique 

• Courant de crête (DC et transitoire) : Tout comme les valeurs de tension de crête, la valeur transitoire sera spécifiée avec un temps d'impulsion spécifique correspondant à la durée de l'impulsion de sortie.

• Tension de grille : Les tensions de grille typiques seront indiquées dans la fiche technique du composant, assurez-vous de vérifier celles-ci afin qu'un GaN FET puisse être piloté avec le pilote de grille approprié. Les tensions de grille typiques peuvent être dans la plage de 10 à 20 V pour les GaN FETs de crête DC d'environ 500-600 V avec une forte capacité de gestion du courant.

• Temps de commutation dynamiques : Ces spécifications incluent le délai d'enclenchement, le temps de montée et le temps de récupération inverse pour la diode de corps. Pour les GaN FETs, ces valeurs sont de l'ordre de 10-100 ns grâce à la plus faible capacité de charge de ces systèmes.

• Capacités d'entrée/sortie : Les capacités parasites sur les ports d'entrée et de sortie du dispositif sont également importantes car elles détermineront l'interaction avec les charges inductives, pouvant conduire à une sonnerie sous-amortie dans le cas où la charge a une faible résistance. Généralement, il suffit d'ajouter une petite résistance pour amortir de manière critique toute transition sur le nœud de commutation.

Faites attention aux capacités d'entrée et de sortie dans tout MOSFET de puissance, y compris un GaN FET, lors de la commande d'une charge inductive. En particulier, ne pensez pas que vous pouvez simplement réguler les oscillations sur un nœud de commutation à travers une boucle de rétroaction et un algorithme de contrôle. Votre circuit intégré de commande de grille sera probablement incapable de compenser ces oscillations, à moins que vous n'ayez implémenté un contrôle dans un MCU rapide ou un FPGA, ce qui est excessivement coûteux. Au lieu de cela, vous pouvez faire fonctionner ces dispositifs à une fréquence plus élevée et utiliser un inducteur plus petit, ce qui vous aidera quand même à atteindre votre cible de ripple.

Exemple de GaN FET et de pilote de grille

Nexperia, GAN063-650WSAQ

Le GAN063-650WSAQ de Nexperia est un excellent exemple de GaN FET polyvalent. Ce composant commute avec jusqu'à 20 V de tension de grille avec un temps de mise en marche rapide de 57 ns (temps de montée de sortie de 10 ns). À seulement 10 V de tension de grille, ce FET fournit 34,5 A en continu, avec un courant transitoire de crête de 150 A avec des impulsions rapides de moins de 10 microsecondes. La résistance à l'état passant n'est que de 50 mOhms à température ambiante, et ne monte qu'à 120 mOhms à 175 °C. La tension de crête DC drain-source dans ce composant atteint 650 V. Les caractéristiques du courant de drain de sortie sont montrées ci-dessous.

Courant de drain dans le GaN FET GAN063-650WSAQ. [Source: fiche technique du GAN063-650WSAQ]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

Le 2EDN7524FXTMA1 d'Infineon est un circuit intégré pilote de grille qui peut être utilisé avec des GaN FETs. Ce composant fournit des taux de montée rapides de 5 ns et un délai de propagation de 17 ns pour une commutation GaN rapide, le rendant utile dans les régulateurs de commutation dans les systèmes RF. Ce composant est un pilote à double canal qui peut s'interfacer avec un ASIC contrôleur numérique. Les tensions de sortie atteignent jusqu'à 20 V avec des temps de montée typiques de 5,3 ns (maximum de 10 ns, capacitance de charge de 1,8 nF, tension de drain de 12 V).

Exemple de circuit d'application pour le pilote IC GaN FET 2EDN7524FXTMA1. [Source: fiche technique du 2EDN7524FXTMA1]

Autres composants pour systèmes avec GaN FETs

Les GaN FETs sont l'un des blocs de construction importants pour la régulation et la distribution de puissance dans les systèmes de puissance RF et les systèmes de puissance automobile. Cependant, vous aurez besoin d'autres composants pour construire votre système et assurer une régulation de puissance fiable. Certains des autres composants dont vous aurez besoin pour ces systèmes incluent :

• Composants pour les fronts d'onde RF dans les systèmes sans fil

• Optocoupleurs dans les systèmes isolés

• Amplificateur de mesure de courant pour la régulation de précision

Lorsque vous avez besoin de trouver les derniers GaN FETs et composants de support pour les systèmes d'alimentation, utilisez les fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données de prix des distributeurs à jour, à l'inventaire des pièces, et aux spécifications des pièces, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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