Como Selecionar GaN FETs para Aplicações em RF e Automotivas

Criada: Setembro 13, 2021
Atualizada: Julho 1, 2024

Todos os eletrônicos precisam de algum nível de conversão, regulação e condicionamento de energia, mas as discussões sobre eficiência energética nunca estiveram tão em voga nas tecnologias avançadas. As considerações sobre entrega e conversão de energia costumavam se concentrar mais em ruído e calor, enquanto hoje, essas considerações agora se focam em estratégias personalizadas para sistemas avançados. Sempre que você tem necessidades de conversão de energia, também precisa garantir a menor dissipação de calor possível, pois isso é crítico para a confiabilidade do dispositivo.

Sistemas sem fio são uma área onde é necessária uma eficiência energética muito alta com mínima dissipação de energia nas etapas de amplificador de potência e transmissor. Com notícias de modems 5G em novos smartphones desligando em 2019, a indústria foi confrontada com problemas de gerenciamento de calor em sistemas RF, tanto em termos de gerenciamento de energia quanto na entrega de energia RF. Hoje, os sistemas de gerenciamento de energia automotiva carregam desafios semelhantes, que exigem os componentes certos e soluções inovadoras para entrega e regulação de energia.

Os GaN FETs oferecem soluções em ambas as áreas graças aos seus limites de potência muito altos, limites de frequência altos e alta condutividade térmica em um substrato de SiC ou Si. Os GaN FETs estão se tornando mais prevalentes, com muitos modelos acessíveis de grandes distribuidores. A questão é, como os GaN FETs devem ser selecionados, e quais são as especificações importantes a considerar em sistemas automotivos vs. sistemas RF? Neste guia, examinaremos alguns desses pontos importantes e mostraremos alguns componentes de exemplo que são ideais para cada tipo de sistema.

Por que usar GaN FETs?

Esta questão se resume aos critérios importantes usados para escolher GaN FETs para sistemas automotivos e dispositivos RF. Os GaN FETs são transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs) cujas propriedades superiores de material e dispositivo os tornam ideais para aplicações mais avançadas em sistemas de energia automotiva e dispositivos RF. De certa forma, essas duas áreas convergem na conversão de energia em geral; esses sistemas de energia operam em altas frequências de comutação, alta corrente de saída e, muitas vezes, em alta tensão.

As seguintes características materiais dos GaN FETs fornecem vantagens importantes em eletrônicos de potência RF e automotiva:

Campo de ruptura: GaN tem um campo elétrico de ruptura maior que o Si (aproximadamente 15x maior que o do Si), então um dispositivo GaN pode ser operado em tensões mais altas que um MOSFET de Si do mesmo tamanho.
Mobilidade de elétrons: A mobilidade de elétrons do GaN é maior que a do Si, então um transistor GaN pode ser fisicamente menor que um transistor Si com a mesma resistência R_ON.
Condutividade térmica: GaN tem uma condutividade térmica maior que a do Si (aproximadamente 2x maior), então ele pode dissipar calor de forma mais eficiente para seu substrato ou um dissipador de calor.
Capacitâncias: As capacitâncias entre entradas em um GaN FET são menores que aquelas em um MOSFET de Si quando os dois dispositivos têm aproximadamente o mesmo tamanho físico.

Existem duas variedades comuns de GaN FETs: aqueles cultivados em Si e aqueles em SiC. A condutividade térmica do SiC é aproximadamente 170% daquela para GaN, então GaN FETs formados via crescimento heteroepitaxial de GaN em SiC são preferidos em aplicações de alta potência. Para aplicações de comutação, como reguladores de comutação de alta potência, a possibilidade de menores capacitâncias e valores de R_ON menores possibilita uma entrega de energia muito rápida, com tempos de subida na ordem de nanossegundos.

Exemplo de capacitância de saída e características de comutação de GaN FET. É possível observar um leve zumbido quando conectado a cargas baixas devido à indutância parasita durante a comutação rápida com esses componentes.

Essas características significam que um GaN FET pode geralmente ser operado em uma alta frequência e alta potência simultaneamente, ambos necessários na eletrônica de potência para aplicações de RF e automotivas. A principal preocupação no automotivo é a regulação e entrega de energia a um sistema eletromecânico (o motor), enquanto a preocupação em sistemas de RF é a regulação e entrega de energia de alta eficiência a um transceptor e amplificador de potência. Há outras aplicações em conversão de energia onde, poderia-se argumentar, as mesmas características proporcionariam benefícios. Por exemplo, os sistemas de energia limpa futuros podem tomar como exemplo os sistemas de RF e implementar as mesmas topologias usadas para conversão de energia e carregamento/descarregamento em armazenamento de energia.

Neste ponto, vamos aprofundar na conversão de energia multiphase para ver alguns dos principais requisitos operacionais para GaN FETs em sistemas avançados de potência automotiva e RF.

Conversão de Energia de Alta Frequência

Quando dizemos "alta frequência" em termos de conversão de energia, estamos nos referindo à frequência de comutação geralmente usada em um driver PWM ou, menos comumente, um driver PFM em um conversor de comutação. Se você está familiarizado com conversores de comutação, então sabe que as perdas por comutação em um MOSFET podem ser reduzidas quando o componente de acionamento pode alternar entre estados mais rapidamente (menor tempo de subida). Além disso, um MOSFET que pode operar em frequências de modulação mais altas produzirá menor ripple na tensão/corrente de saída. Isso também permite a redução do tamanho do sistema, pois um indutor menor seria necessário para atingir um alvo de ripple específico.

Um GaN FET de tamanho apropriado pode atender a esses requisitos desde que a tensão transiente de pico, corrente transiente e especificações de tempo de comutação possam ser equilibradas para uma determinada frequência de comutação. No caso dessas três especificações não poderem ser comprometidas, um design pode ser operado em uma configuração multiphase, onde o conversor opera com múltiplos estágios em paralelo, mas separados por fases iguais. Desta forma, o conversor imita um conversor de frequência mais alta. Dentro de cada estágio, arranjos paralelos múltiplos de GaN FETs podem ser usados para entregar corrente muito alta conforme necessário.

TRANSLATE:

Exemplo de topologia de conversor chaveado multiphase. Você pode ler mais sobre isso em um dos meus artigos recentes.

Operar em modo multiphase dessa maneira requer uma seleção cuidadosa dos componentes na parte de saída de cada estágio. Para sistemas RF, esses projetos devem funcionar em frequências muito altas de ~10 MHz ou mais. Essa seleção, bem como um estágio de filtragem e controle de saída, pode ser usada para garantir que a potência de saída siga o envelope imposto na forma de onda de tensão/corrente de saída pelo sinal de base. Para evitar oscilações ou ressonâncias indesejadas entre diferentes estágios, normalmente se usa um diodo de alta tensão, assim como você faria com arranjos paralelos em fase de MOSFETs fornecendo corrente simultaneamente. O estágio de controle e acionamento neste tipo de projeto precisa ser cuidadosamente selecionado de modo que possa modular suficientemente os FETs de GaN enquanto também opera dentro de um loop de controle para compensar qualquer sobretensão ou queda durante a operação.

Especificações Importantes

Para as áreas de aplicação importantes delineadas aqui, existem quatro especificações principais que devem receber atenção durante o projeto e a seleção de componentes:

Tensão de pico dreno-fonte (DC e transitória): Esses valores aqui são necessários para entrega de energia DC com acionamento suave, ou regulação como um elemento de chaveamento com acionamento rápido. Note que a tensão de pico transitória será especificada para um tempo de pulso específico
Corrente de pico (DC e transitória): Assim como os valores de tensão de pico, o valor transitório será especificado com um tempo de pulso específico correspondente ao comprimento do pulso de saída.
Tensão de gate: As tensões de gate típicas serão listadas na ficha técnica do componente, certifique-se de verificar essas para que um FET de GaN possa ser acionado com o driver de gate apropriado. As tensões de gate típicas podem estar na faixa de 10 a 20 V para FETs de GaN de pico DC de ~500-600 V com alta capacidade de corrente.
Tempos de chaveamento dinâmicos: Essas especificações incluem atraso de acionamento, tempo de subida e tempo de recuperação reversa para o diodo de corpo. Para FETs de GaN, esses valores estão na ordem de 10-100 ns graças à menor capacitância de carga desses sistemas.
Capacitâncias de entrada/saída: As capacitâncias parasitas nas portas de entrada e saída do dispositivo também são importantes, pois determinarão a interação com cargas indutivas, possivelmente levando a oscilações subamortecidas no caso em que a carga tem baixa resistência. Tipicamente, é suficiente adicionar um pequeno resistor para amortecer criticamente qualquer transição no nó de chaveamento.

Fique atento às capacitâncias de entrada e saída em qualquer MOSFET de potência, incluindo um GaN FET, ao conduzir uma carga indutiva. Em particular, não pense que você pode simplesmente regular o zumbido em um nó de comutação através de um loop de feedback e um algoritmo de controle. Seu circuito integrado de driver de porta provavelmente será incapaz de compensar esse zumbido, a menos que você tenha implementado controle em um MCU rápido ou FPGA, o que é excessivamente caro. Em vez disso, você pode operar esses dispositivos em uma frequência mais alta e usar um indutor menor, o que ainda ajudará você a atingir seu alvo de ripple.

Exemplo de GaN FET e Driver de Porta

Nexperia, GAN063-650WSAQ

O GAN063-650WSAQ da Nexperia é um excelente exemplo de um GaN FET de propósito geral. Este componente comuta com até 20 V de tensão de porta com um rápido tempo de ligação de 57 ns (10 ns de tempo de subida de saída). Com apenas 10 V de tensão de porta, este FET fornece 34,5 A em DC, com corrente transiente de pico de 150 A com pulsos rápidos de menos de 10 microssegundos. A resistência em estado ligado é de apenas 50 mOhms à temperatura ambiente, e só sobe para até 120 mOhms a 175 °C. A tensão de pico DC dreno-fonte neste componente alcança 650 V. As características de corrente de dreno de saída são mostradas abaixo.

Corrente de dreno no GaN FET GAN063-650WSAQ. [Fonte: Ficha técnica do GAN063-650WSAQ]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

O 2EDN7524FXTMA1 da Infineon é um circuito integrado driver de porta que pode ser usado com GaN FETs. Este componente fornece taxas de subida rápidas de 5 ns e atraso de propagação de 17 ns para comutação rápida de GaN, tornando-o útil em reguladores de comutação em sistemas RF. Este componente é um driver de canal duplo que pode interfacear com um ASIC controlador digital. As tensões de saída alcançam até 20 V com tempos de subida típicos de 5,3 ns (máximo de 10 ns, capacitância de carga de 1,8 nF, tensão de dreno de 12 V).

Exemplo de circuito de aplicação para o driver IC GaN FET 2EDN7524FXTMA1. [Fonte: Ficha técnica do 2EDN7524FXTMA1]

Outros Componentes para Sistemas Com GaN FETs

Os GaN FETs são um dos blocos de construção importantes para regulação e entrega de energia em sistemas de potência RF e sistemas de potência automotivos. No entanto, você precisará de outros componentes para construir seu sistema e garantir uma regulação de energia confiável. Alguns dos outros componentes que você precisará para esses sistemas incluem:

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