Come Selezionare i GaN FET per Applicazioni RF e Automobilistiche

Creato: settembre 13, 2021
Aggiornato: luglio 1, 2024

Tutti i dispositivi elettronici necessitano di un certo livello di conversione, regolazione e condizionamento della potenza, ma le discussioni sull'efficienza energetica non sono mai state così in primo piano come oggi nella tecnologia avanzata. Le considerazioni sulla consegna e conversione della potenza si concentravano più che altro su rumore e calore, mentre oggi queste considerazioni si focalizzano su strategie su misura per sistemi avanzati. Ogni volta che si hanno esigenze di conversione della potenza, è necessario anche assicurare la minima dissipazione di calore possibile poiché ciò è critico per l'affidabilità del dispositivo.

I sistemi wireless sono un'area in cui è necessaria un'efficienza energetica molto alta con una minima dissipazione di potenza nelle fasi di amplificatore di potenza e trasmettitore. Con le notizie di modem 5G nei nuovi smartphone che si spegnevano nel 2019, l'industria si è confrontata con problemi di gestione del calore nei sistemi RF, sia in termini di gestione della potenza che di consegna della potenza RF. Oggi, i sistemi di gestione della potenza automobilistica presentano sfide simili, che richiedono componenti giusti e soluzioni innovative per la consegna e la regolazione della potenza.

I GaN FET offrono soluzioni in entrambe le aree grazie ai loro limiti di potenza molto elevati, limiti di frequenza alti e alta conducibilità termica in un substrato di SiC o Si. I GaN FET stanno diventando sempre più diffusi, con molti modelli accessibili dai principali distributori. La domanda è, come dovrebbero essere selezionati i GaN FET e quali sono le specifiche importanti da considerare nei sistemi automobilistici rispetto ai sistemi RF? In questa guida, esamineremo alcuni di questi punti importanti e mostreremo alcuni componenti esemplari ideali per ciascun tipo di sistema.

Perché utilizzare i GaN FET?

Questa domanda porta ai criteri importanti usati per scegliere i GaN FET per sistemi automobilistici e dispositivi RF. I GaN FET sono transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) le cui superiori proprietà dei materiali e del dispositivo li rendono ideali per applicazioni più avanzate nei sistemi di potenza automobilistici e nei dispositivi RF. In alcuni modi, queste due aree convergono nella conversione della potenza in generale; questi sistemi di potenza funzionano ad alte frequenze di commutazione, alta corrente di uscita e spesso ad alta tensione.

Le seguenti caratteristiche dei materiali dei GaN FET offrono importanti vantaggi nell'elettronica di potenza RF e automobilistica:

Campo di rottura: Il GaN ha un campo elettrico di rottura più elevato rispetto al Si (circa 15 volte maggiore di quello nel Si), quindi un dispositivo GaN può essere operato a tensioni più elevate rispetto a un MOSFET di Si della stessa dimensione.
Mobilità elettronica: La mobilità elettronica del GaN è superiore a quella del Si, quindi un transistor GaN può essere fisicamente più piccolo di un transistor Si con la stessa resistenza R_ON.
Conducibilità termica: Il GaN ha una conducibilità termica superiore rispetto al Si (circa 2 volte maggiore), quindi può dissipare il calore più efficacemente nel suo substrato o in un dissipatore di calore.
Capacitanze: Le capacitanze tra gli ingressi su un GaN FET sono minori rispetto a quelle in un MOSFET di Si quando i due dispositivi hanno circa la stessa dimensione fisica.

Ci sono due varietà comuni di GaN FET: quelli cresciuti su Si e quelli su SiC. La conduttività termica del SiC è circa il 170% di quella del GaN, quindi i GaN FET formati tramite crescita eteroepitassiale di GaN su SiC sono preferiti nelle applicazioni ad alta potenza. Per le applicazioni di commutazione, come i regolatori di commutazione ad alta potenza, la possibilità di avere capacitanze inferiori e valori di R_ON più piccoli consente una consegna di potenza molto veloce, con tempi di salita nell'ordine dei nanosecondi.

Esempio di capacità di uscita e caratteristiche di commutazione di un GaN FET. È possibile osservare un leggero ronzio quando connesso a carichi bassi a causa dell'induttanza parassita durante la commutazione rapida con questi componenti.

Queste caratteristiche significano che un GaN FET può generalmente essere utilizzato ad alta frequenza e alta potenza simultaneamente, entrambi necessari nell'elettronica di potenza per applicazioni RF e automobilistiche. La preoccupazione principale nell'automotive è la regolazione e la consegna di potenza a un sistema elettromeccanico (il motore), mentre nel sistema RF la preoccupazione è la regolazione e la consegna di potenza ad alta efficienza a un trasmettitore e amplificatore di potenza. Ci sono altre applicazioni nella conversione di potenza dove, si potrebbe argomentare, le stesse caratteristiche fornirebbero benefici. Ad esempio, i futuri sistemi di energia pulita possono prendere spunto dai sistemi RF e implementare le stesse topologie utilizzate per la conversione di potenza e la carica/scarica nello stoccaggio di energia.

A questo punto, approfondiamo la conversione di potenza multifase per vedere alcuni dei principali requisiti operativi per i GaN FET in sistemi avanzati di potenza automobilistica e RF.

Conversione di Potenza ad Alta Frequenza

Quando diciamo "alta frequenza" in termini di conversione di potenza, ci riferiamo alla frequenza di commutazione generalmente utilizzata in un driver PWM o, meno comunemente, un driver PFM in un convertitore di commutazione. Se sei familiare con i convertitori di commutazione, allora sai che le perdite di commutazione in un MOSFET possono essere ridotte quando il componente di guida può passare tra gli stati più velocemente (tempo di salita inferiore). Inoltre, un MOSFET che può funzionare a frequenze di modulazione più elevate produrrà un ripple minore sulla tensione/corrente di uscita. Ciò consente anche di ridurre le dimensioni del sistema poiché sarebbe necessario un induttore più piccolo per raggiungere un obiettivo di ripple specifico.

Un GaN FET di dimensioni appropriate può soddisfare questi requisiti a patto che le specifiche di tensione transitoria di picco, corrente transitoria e tempo di commutazione possano essere bilanciate per una data frequenza di commutazione. Nel caso in cui queste tre specifiche non possano essere compromesse, un progetto può essere eseguito in una configurazione multifase, dove il convertitore opera con più stadi in parallelo, ma separati da fasi uguali. In questo modo, il convertitore imita un convertitore ad alta frequenza. All'interno di ogni stadio, possono essere utilizzati arrangiamenti multipli paralleli di GaN FET per fornire correnti molto elevate secondo necessità.

Esempio di topologia di convertitore switching multifase. Puoi leggere di più su questo in uno dei miei articoli recenti.

Operare in modalità multifase in questo modo richiede una selezione attenta dei componenti nella parte di uscita di ogni stadio. Per i sistemi RF, questi progetti dovrebbero funzionare fino a frequenze molto alte, di ~10 MHz o più. Questa selezione, così come una fase di filtraggio e controllo dell'uscita, può essere utilizzata per garantire che la potenza di uscita segua l'involucro imposto sulla forma d'onda di tensione/corrente di uscita dal segnale in banda base. Per prevenire indesiderati ronzii o oscillazioni tra diversi stadi, viene normalmente utilizzato un diodo ad alta tensione, proprio come si farebbe con disposizioni parallele in fase di MOSFET che forniscono corrente simultaneamente. Lo stadio di controllo e di pilotaggio in questo tipo di progetto deve essere selezionato con cura in modo tale che possa modulare adeguatamente i GaN FET mantenendo al contempo un funzionamento all'interno di un anello di controllo per compensare eventuali sovratensioni o cali di tensione durante il funzionamento.

Specifiche Importanti

Per le importanti aree di applicazione delineate qui, ci sono quattro specifiche principali che dovrebbero ricevere attenzione durante la progettazione e la selezione dei componenti:

Tensione di picco drain-to-source (DC e transiente): Questi valori sono necessari per la consegna di potenza DC con accensione fluida, o come elemento di commutazione con accensione rapida. Si noti che il picco di tensione transiente sarà specificato per un tempo di impulso specifico
Corrente di picco (DC e transiente): Come per i valori di tensione di picco, il valore transiente sarà specificato con un tempo di impulso corrispondente alla durata dell'impulso di uscita.
Tensione del gate: Le tensioni tipiche del gate saranno elencate nel datasheet del componente, assicurati di controllare queste in modo che un GaN FET possa essere pilotato con l'appropriato driver del gate. Le tensioni tipiche del gate possono essere nell'intervallo di 10 a 20 V per GaN FET con picco di 500-600 V DC e alta gestione della corrente.
Tempi di commutazione dinamici: Queste specifiche includono il ritardo di accensione, il tempo di salita e il tempo di recupero inverso per il diodo del corpo. Per i GaN FET, questi valori sono dell'ordine di 10-100 ns grazie alla minore capacità di carico di questi sistemi.
Capacitanze di ingresso/uscita: Le capacitanze parassite sui porti di ingresso e uscita del dispositivo sono importanti in quanto determineranno l'interazione con carichi induttivi, potenzialmente portando a ronzii sottosmorzati nel caso in cui il carico abbia bassa resistenza. Tipicamente è sufficiente aggiungere una piccola resistenza per smorzare criticamente qualsiasi transizione sul nodo di commutazione.

Fai attenzione alle capacità di ingresso e uscita in qualsiasi MOSFET di potenza, inclusi i GaN FET, quando piloti un carico induttivo. In particolare, non pensare di poter semplicemente regolare via il fenomeno di ringing in un nodo di commutazione attraverso un loop di feedback e un algoritmo di controllo. Il tuo IC driver del gate probabilmente non sarà in grado di compensare questo ringing, a meno che tu non abbia implementato il controllo in un MCU o FPGA veloce, il che è eccessivamente costoso. Invece, puoi far funzionare questi dispositivi ad una frequenza più alta e usare un induttore più piccolo, il che ti aiuterà comunque a raggiungere il tuo obiettivo di ripple.

Esempio di GaN FET e Driver del Gate

Nexperia, GAN063-650WSAQ

Il GAN063-650WSAQ di Nexperia è un eccellente esempio di GaN FET per uso generico. Questo componente commuta con una tensione di gate fino a 20 V con un tempo di accensione rapido di 57 ns (tempo di salita in uscita di 10 ns). A soli 10 V di tensione di gate, questo FET fornisce 34,5 A in DC, con corrente transitoria di picco di 150 A con impulsi rapidi di meno di 10 microsecondi. La resistenza in stato ON è di soli 50 mOhm a temperatura ambiente, e sale solo fino a 120 mOhm a 175 °C. La tensione di picco DC drain-source in questo componente raggiunge i 650 V. Di seguito sono mostrate le caratteristiche della corrente di drain in uscita.

Corrente di drain nel GaN FET GAN063-650WSAQ. [Fonte: Scheda tecnica GAN063-650WSAQ]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

Il 2EDN7524FXTMA1 di Infineon è un IC driver del gate che può essere utilizzato con i GaN FET. Questo componente fornisce tempi di salita rapidi di 5 ns e ritardi di propagazione di 17 ns per una commutazione GaN veloce, rendendolo utile nei regolatori di commutazione nei sistemi RF. Questo componente è un driver a doppio canale che può interfacciarsi con un ASIC controller digitale. Le tensioni di uscita raggiungono fino a 20 V con tempi di salita tipici di 5,3 ns (massimo 10 ns, capacità di carico 1,8 nF, tensione di drain 12 V).

Esempio di circuito applicativo per il driver IC GaN FET 2EDN7524FXTMA1. [Fonte: Scheda tecnica 2EDN7524FXTMA1]

Altri Componenti per Sistemi con GaN FET

I GaN FET sono uno dei blocchi fondamentali per la regolazione e la fornitura di potenza nei sistemi di potenza RF e nei sistemi di potenza automobilistici. Tuttavia, avrai bisogno di altri componenti per costruire il tuo sistema e garantire una regolazione della potenza affidabile. Alcuni degli altri componenti di cui avrai bisogno per questi sistemi includono:

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