GaN la tecnología es un verdadero facilitador para las etapas de potencia, y hoy brinda un rendimiento que era impensable en la década anterior. El máximo rendimiento y los beneficios de GaN se obtienen solo cuando el controlador de puerta coincide con el mismo grado de rendimiento e innovación que los transistores. Después de muchos años de investigación y desarrollo, MinDCet ha superado los obstáculos en la conducción de puertas de GaN al presentar el controlador de puertas MDC901.
Introducción
Desde la introducción de los primeros transistores de nitruro de galio (GaN) hace más de diez años, sus ventajas en la electrónica de potencia se han vuelto bien conocidas. De hecho, las propiedades del material de GaN ofrecen capacitancias parásitas más bajas para una determinada resistencia, transitorios de conmutación rápida inherentes, falta de recuperación inversa y capacidad de operación a alta temperatura. Estas excelentes propiedades son aparentemente la combinación perfecta para convertidores de potencia de alto rendimiento.
Sin embargo, se deben considerar dos aspectos importantes para lograr el potencial de desempeño de GaN. En primer lugar, es una concepción común que la capacidad de conmutación transitoria rápida de GaN conducirá directamente a frecuencias de conmutación significativamente más altas y, en consecuencia, mayores eficiencias. Cuando GaN se conmuta a la velocidad óptima, de hecho mostrará menores pérdidas de conmutación en comparación con MOSFET la tecnología, para una frecuencia determinada. La razón principal de las pérdidas de conmutación de GaN comparativamente más bajas es la disminución del tiempo durante el transitorio de conmutación, el momento en que voltaje y la corriente están presentes simultáneamente sobre y a través del interruptor. Las pérdidas de Joule causadas por esta pérdida de conmutación aumentan linealmente con la frecuencia. Eventualmente, cuando se opera GaN a frecuencias de conmutación cada vez más altas, la eficiencia de GaN resultante puede volverse igual o potencialmente más baja que una mosfetconvertidor basado en. Aunque hay beneficios de eficiencia decrecientes de GaN a frecuencias de conmutación más altas, los convertidores basados en GaN se benefician adicionalmente del uso de pasivos de almacenamiento más pequeños, lo que equivale a una mayor densidad de potencia.
Figura 1: La eficiencia medida en función de la corriente de salida para un convertidor reductor basado en GaN de 48 V a 3.3 V, a diferentes frecuencias de conmutación.
Este efecto se demuestra con un convertidor reductor reductor de 48V a 3.3V, construido alrededor del controlador de puerta MinDCet MDC901, un medio puente GaN Systems GS61008P y una potencia WE-HCF 1.4uH / 31.5A Inductor, como se muestra en la Figura 5. El bajo ciclo de trabajo del convertidor se beneficia de las rápidas velocidades transitorias de conmutación, lo que resulta en un aumento de eficiencia del 10 al 15 por ciento sobre un equivalente MOSFETConvertidor basado en la misma frecuencia de conmutación. La medición del convertidor reductor en la Figura 1 ejemplifica que, a pesar de las capacidades de GaN, la eficiencia de conversión disminuye a medida que aumenta la frecuencia de conmutación. Ya a frecuencias de conmutación moderadas de 300 kHz, se puede observar una clara disminución de casi el 1 por ciento de la eficiencia por cada 100 kHz adicionales en la frecuencia de conmutación en las frecuencias medidas de 300 a 700 kHz.
Para un convertidor reductor de 48 V a 12 V, esta compensación cambia. Al examinar la Figura 2, la eficiencia del convertidor de GaN se beneficia de una frecuencia de conmutación más alta a cargas bajas a moderadas (hasta aproximadamente 10 A) en el rango de 300 a 700 kHz. Cabe señalar que el inductor seleccionado tiene un impacto en la eficiencia del convertidor. Se debe tener cuidado al realizar las compensaciones correctas en el diseño del convertidor basado en GaN.
Figura 2: La eficiencia medida en función de la corriente de salida para un convertidor reductor basado en GaN de 48 V a 12 V, a diferentes frecuencias de conmutación.
En segundo lugar, para permitir los verdaderos beneficios intrínsecos de GaN, es necesario cambiar a altas velocidades transitorias. Son posibles valores desde 10 V / ns hasta 100 V / ns y más. El componente principal responsable de la velocidad transitoria es el controlador de puerta. Naturalmente, es necesario implementar un diseño de circuito adecuado, específicamente enrutamiento de energía, enrutamiento de bucle de puerta y desacoplamiento, para permitir que el controlador de puerta y GaN hagan su trabajo de manera óptima. En general, un controlador de puerta MOSFET estándar puede en casos únicos ser capaz de manejar GaN, pero no se alcanzará un rendimiento óptimo. Como consecuencia, los beneficios de usar GaN se pierden parcialmente. Un controlador de puerta que conmuta GaN a altas velocidades transitorias debe cumplir requisitos específicos y, al mismo tiempo, está sujeto a tensiones significativas. Estos estrictos requisitos solo pueden ser cumplidos por un controlador de puerta desarrollado cuidadosamente para trabajar con GaN.
Escollos para la conducción de puertas de GaN
Los transistores de GaN en aplicaciones de potencia tienen un gran potencial: mayor eficiencia energética, mayor densidad de potencia, diseño potencial de disipador de calor / sin ventilador,… Sin embargo, obtener el máximo beneficio de una etapa de GaN requiere una conducción cuidadosa, evitando los obstáculos en la carretera.
Tasas de respuesta altas
Conducir transistores GaN es muy ambiguo. Estos dispositivos se eligen por sus velocidades de variación de voltaje inherentemente grandes (superiores a 100 V / ns), lo que conduce a pérdidas de conmutación muy bajas (pérdidas incurridas cuando Vds e Ids no son cero). El cambio rápido entre transistores de lado alto y bajo hace que la corriente de carga alterne muy rápidamente entre el voltaje de carga y de entrada (por ejemplo, aplicaciones de convertidor reductor). Esto plantea serias limitaciones al desacoplamiento de la tensión del bus, ya que pcb las pistas hasta el medio puente provocan un sobreimpulso, muy definido por la inductancia del bucle del bus. Además, las altas velocidades de respuesta inyectan grandes picos de corriente en la ruta de activación de la compuerta a través de la capacitancia de la fuente de drenaje del transistor de estado apagado.
Encendido parasitario
En una configuración de medio puente, puede ocurrir un encendido parásito al transistor que se apaga, cuando su voltaje de fuente de drenaje aumenta repentinamente al voltaje del bus, ya sea activamente por el transistor opuesto o inductivamente a través de la corriente de carga. Esta corriente se convertirá en un voltaje de puerta distinto de cero tanto por la impedancia de descenso del controlador de la puerta como por la inductancia del bucle de la fuente de la puerta. Si este voltaje es más alto que el voltaje de umbral, se producirá una corriente cruzada entre los interruptores del lado alto y del lado bajo del medio puente. La inductancia de bucle de puerta baja solo es posible en la cointegración monolítica de la etapa de potencia y el controlador de puerta, donde es muy deseable una ruta de extracción y extracción separada para cada transistor de GaN. Tiempo muerto El tiempo muerto en un medio puente es el tiempo entre el evento de apagado de un transistor y el evento de encendido del transistor de puente complementario. El control granular del tiempo muerto es esencial. Un tiempo muerto demasiado corto provocará pérdidas excesivas a medida que el GaN complementario descarga la capacitancia de la fuente de drenaje de GaN. La conmutación de voltaje cero ocurre en tiempos muertos más largos, lo que permite que el inductor descargue la capacitancia de la fuente de drenaje (en un convertidor reductor). En consecuencia, esta energía no se disipa. Los tiempos muertos demasiado largos introducirán pérdidas mayores ya que la conducción inversa de un GaN con cero Vgs está sujeta a una caída de voltaje mayor (de unos pocos voltios) en comparación con un diodo. Los tiempos muertos fijos conducen a una eficiencia subóptima y deben ajustarse al tiempo muerto adecuado para una pérdida mínima, que depende en gran medida de la aplicación.
Sobrecarga de puerta
En aplicaciones de accionamiento de puerta no aisladas, el controlador de puerta a menudo se alimenta mediante arranque del suministro de bajo voltaje. Esta técnica cargará el desacoplamiento del suministro del controlador de puerta del lado alto. condensador a través de un diodo rápido de alto voltaje. Esto genera un voltaje flotante que se utiliza para alimentar todos los circuitos flotantes utilizados para accionar el precontrolador del lado alto. Como se explicó anteriormente, el tiempo muerto distinto de cero hará que el voltaje de la fuente de drenaje del transistor GaN del lado bajo, dependiendo de la dirección de magnitud actual de la carga, baje de cero. Esto efectivamente hace que el capacitor de arranque se cargue más allá del suministro de entrada. Se sabe que una puerta de GaN es notoriamente sensible a las sobretensiones de la puerta, por lo que la puerta necesita protección contra la sobrecarga para garantizar la confiabilidad del convertidor. En la práctica, esto se reduce mediante el uso de estructuras de sujeción, a costa de un mayor consumo de energía del controlador de puerta y espacio de PCB con su efectividad limitada por los parásitos de PCB.
Operación de voltaje de salida negativo
La oscilación negativa del voltaje del controlador de salida depende de la inductancia de la fuente parásita y de las condiciones de carga del convertidor de potencia, que pueden predecirse mal. Para un funcionamiento predecible, se requiere una garantía de que el puente del convertidor siempre se puede controlar, incluso cuando el voltaje es negativo en comparación con las tierras de suministro. En un cambiador de nivel acoplado a CC, se deben tomar precauciones especiales para permitir el funcionamiento por debajo de la tierra de suministro.
Operación de ciclo de trabajo alto
La operación de arranque de un controlador de puerta es un medio simple y efectivo para proporcionar carga para controlar el transistor del lado alto, por ejemplo, en un medio puente. Inevitablemente, existe una fuga dependiente de la temperatura y un sesgo para los circuitos de soporte necesarios en el sistema del precontrolador, lo que hace que se escape el voltaje de arranque. Si el voltaje de arranque disminuye por debajo de un cierto voltaje mínimo (a menudo monitoreado a través del circuito de detección de subvoltaje a bordo), el circuito del precontrolador puede actuar de manera errónea y, en el peor de los casos, perjudicial para el convertidor. Para una aplicación de conversión de potencia y capacitancia de arranque determinada, esto establece un máximo en el ciclo de trabajo que se puede mantener o limita la profundidad de modulación que se puede utilizar.
La respuesta de MinDCet: Las aplicaciones MDC901 de alta densidad, alta densidad de potencia y conmutación rápida requieren una etapa de potencia de GaN, donde se necesita un controlador específico para garantizar una conducción confiable y proteger la valiosa etapa de GaN.
Para abordar las trampas descritas anteriormente y proporcionar las demandas de GaN de rendimiento, MinDCet introdujo el controlador de puerta de GaN MDC901. El diagrama de bloques que se muestra en la Figura 4 proporciona una descripción general de la funcionalidad clave, resolviendo los principales problemas descritos en las secciones anteriores.
Las rutas de pull-up y pull-down separadas permiten el ajuste de la velocidad de encendido y, en consecuencia, la velocidad de respuesta de la etapa de salida mientras se mantiene una ruta de pulldown de baja impedancia para el transistor GaN. Esto mantiene el voltaje de la fuente de la puerta bajo control en estado apagado evitando el encendido parásito, incluso bajo altas corrientes capacitivas de la puerta de drenaje.
El tiempo muerto para encender y apagar se puede configurar a través de una serie de entradas digitales. Esto permite el ajuste estático del tiempo muerto para una aplicación determinada o en conjunto con un controlador, esto podría realizarse de forma dinámica para una eficiencia óptima. Además, el tiempo muerto se puede configurar en modo automático. Un circuito cerrado detecta los voltajes de la puerta de GaN y la puerta solo se enciende cuando la puerta de GaN complementaria está apagada. Este es un modo de operación a prueba de fallas.
El riesgo de sobrecarga de la compuerta durante la operación de voltaje negativo se resuelve colocando reguladores completamente flotantes tanto en el dominio del lado alto como del lado bajo después del diodo de arranque. Esto da como resultado un voltaje de controlador de puerta bien definido y protegido de manera robusta.
Figura 4: El diagrama de bloques del controlador de puerta GaN MDC901.
Figura 5: La placa de evaluación de medio puente MDC901 100V.
El funcionamiento con voltaje de salida negativo está garantizado hasta -4 V, lo que permite un control preciso de la puerta incluso bajo altas corrientes inductivas. Esto ha sido acomodado por un cambiador de nivel diseñado específicamente y una generación de suministro flotante.
Para aplicaciones de ciclo de trabajo alto (por ejemplo, controladores de motor y amplificadores de clase D), es obligatorio mantener un estado de encendido del lado alto durante períodos de tiempo más prolongados. Esta funcionalidad se implementó mediante una bomba de carga integrada, que compensa la polarización de CC en condiciones de ciclo de trabajo del 100%.
El MDC901 proporciona una solución de gama alta y rica en funciones para impulsar transistores de GaN de una manera confiable para maximizar el rendimiento en la aplicación dada. El controlador fue desarrollado para soluciones DC-DC, pero se puede utilizar para todas las demás aplicaciones de conducción de GaN como LIDAR, controladores de motor y Electrónico Aplicaciones de fusibles que requieren una verdadera capacidad de 200V. Para permitir un diseño fácil y rápido del controlador de puerta MDC901 en una variedad de aplicaciones, se desarrolló una placa de evaluación de medio puente de 100 V en una topología de convertidor reductor, como se muestra en la Figura 5, para ayudar a los diseñadores de electrónica de potencia.
Conclusiones
Habilitar los verdaderos beneficios de las etapas de potencia de GaN requiere implementar un controlador de puerta optimizado que esté diseñado específicamente para trabajar con transistores de GaN. Como resultado, el GaN se puede llevar al límite, produciendo el mayor rendimiento posible, lo que proporciona un rendimiento máximo de la inversión tecnológica y monetaria. Un controlador de puerta discreto como el MDC901 proporciona al usuario la flexibilidad, el diagnóstico y un conjunto de funciones ampliado para elegir los transistores de GaN más adecuados para la aplicación dada.