GaN sans souci est un véritable catalyseur pour les étages de puissance, offrant aujourd'hui des performances impensables au cours de la décennie précédente. Les performances et les avantages maximaux du GaN ne sont obtenus que lorsque le pilote de grille correspond au même degré de performance et d'innovation que les transistors. Après de nombreuses années de recherche et développement, MinDCet a surmonté les écueils de la conduite de porte GaN en introduisant le pilote de porte MDC901.
Introduction
Depuis l'introduction des premiers transistors au nitrure de gallium (GaN) il y a plus de dix ans, leurs avantages en électronique de puissance sont devenus bien connus. En effet, les propriétés du matériau du GaN offrent des capacités parasites plus faibles pour une résistance à l'état passant donnée, des transitoires de commutation rapides inhérents, un manque de récupération inverse et une capacité de fonctionnement à haute température. Ces excellentes propriétés sont apparemment la combinaison parfaite pour les convertisseurs de puissance hautes performances.
Cependant, deux aspects importants doivent être pris en compte pour atteindre le potentiel de performance du GaN. Premièrement, il est courant de penser que la capacité de commutation transitoire rapide de GaN conduira directement à des fréquences de commutation nettement plus élevées et, par conséquent, à des rendements plus élevés. Lorsque GaN est commuté à la vitesse optimale, il présentera en effet des pertes de commutation inférieures par rapport à MOSFET sans souci, pour une fréquence donnée. La principale raison des pertes de commutation GaN comparativement plus faibles est la diminution du temps pendant le transitoire de commutation, le moment où Tension et le courant sont simultanément présents sur et à travers le commutateur. Les pertes Joule provoquées par cette perte de commutation augmentent linéairement avec la fréquence. Finalement, lors du fonctionnement du GaN à des fréquences de commutation de plus en plus élevées, le rendement GaN résultant peut devenir égal ou potentiellement inférieur à un mosfetconvertisseur basé sur. Bien que le GaN présente des avantages d'efficacité décroissants à des fréquences de commutation plus élevées, les convertisseurs à base de GaN bénéficient en outre de l'utilisation de passifs de stockage plus petits, ce qui équivaut à une densité de puissance plus élevée.
Figure 1: Rendement mesuré en fonction du courant de sortie pour un convertisseur abaisseur 48V à 3.3V GaN, à différentes fréquences de commutation.
Cet effet est démontré avec un convertisseur abaisseur de 48 V à 3.3 V, construit autour du pilote de porte MinDCet MDC901, un demi-pont GaN Systems GS61008P et une alimentation WE-HCF 1.4uH / 31.5A Inducteur, comme le montre la figure 5. Le faible cycle de service du convertisseur bénéficie des vitesses transitoires de commutation rapides, ce qui entraîne une augmentation de l'efficacité de 10 à 15 % par rapport à un équivalent. MOSFET-convertisseur basé sur la même fréquence de commutation. La mesure du convertisseur abaisseur de la figure 1 illustre que malgré les capacités du GaN, l'efficacité de conversion diminue à mesure que la fréquence de commutation augmente. Déjà à des fréquences de commutation modérées de 300 kHz, une nette diminution de près de 1 pour cent d'efficacité par 100 kHz supplémentaires de fréquence de commutation peut être observée sur les fréquences mesurées de 300 à 700 kHz.
Pour un convertisseur abaisseur de 48 V à 12 V, ce compromis change. En examinant la figure 2, l'efficacité du convertisseur GaN bénéficie d'une fréquence de commutation plus élevée à des charges faibles à modérées (jusqu'à environ 10 A) sur la plage de 300 à 700 kHz. Il convient de noter que l'inductance sélectionnée a un impact sur le rendement du convertisseur. Il faut prendre soin de faire les bons compromis dans la conception du convertisseur basé sur GaN.
Figure 2: Rendement mesuré en fonction du courant de sortie pour un convertisseur abaisseur 48V à 12V GaN, à différentes fréquences de commutation.
Deuxièmement, pour permettre les véritables avantages intrinsèques du GaN, il est nécessaire de commuter à des vitesses transitoires élevées. Des valeurs de 10 V / ns à 100 V / ns et au-delà sont possibles. Le principal composant responsable de la vitesse transitoire est le pilote de porte. Naturellement, une conception de circuit appropriée, en particulier le routage de puissance, le routage en boucle de porte et le découplage, doit être mise en œuvre pour permettre au pilote de porte et au GaN de faire leur travail de manière optimale. En général, un pilote de porte MOSFET standard peut dans des cas uniques être capable de piloter GaN, mais les performances optimales ne seront pas atteintes. En conséquence, les avantages de l'utilisation du GaN sont en partie perdus. Un pilote de grille qui commute le GaN à des vitesses transitoires élevées doit répondre à des exigences spécifiques tout en étant simultanément soumis à des contraintes importantes. Ces exigences strictes ne peuvent être satisfaites que par un pilote de porte soigneusement développé pour fonctionner avec GaN.
Pièges pour la conduite de porte GaN
Les transistors GaN dans les applications de puissance ont beaucoup de potentiel: efficacité énergétique plus élevée, densité de puissance plus élevée, conception potentielle de dissipateur thermique / sans ventilateur,… Cependant, tirer le meilleur parti d'un étage GaN nécessite une conduite prudente, évitant les écueils sur la route.
Taux de balayage élevés
La conduite des transistors GaN est très ambiguë. Ces dispositifs sont choisis pour leurs taux de montée en tension intrinsèquement élevés (supérieurs à 100 V / ns), ce qui conduit à des pertes de commutation très faibles (pertes subies lorsque Vds et Ids ne sont pas nuls). La commutation rapide entre les transistors bas et haut fait alterner très rapidement le courant de charge entre la tension de charge et la tension d'entrée (par exemple, les applications de convertisseur abaisseur). Cela pose de fortes contraintes au découplage de la tension du bus, car pcb les voies vers le demi-pont provoquent un dépassement, hautement défini par l'inductance de la boucle de bus. De plus, les vitesses de balayage élevées injectent des courants de crête importants dans le chemin de commande de grille à travers la capacité drain-source du transistor à l'état bloqué.
Activation parasite
Dans une configuration en demi-pont, une mise sous tension parasite peut se produire sur le transistor qui est bloqué, lorsque sa tension drain-source augmente soudainement jusqu'à la tension du bus, soit activement par le transistor opposé, soit de manière inductive à travers le courant de charge. Ce courant sera converti en une tension de grille non nulle à la fois par l'impédance de tirage vers le bas du pilote de grille et l'inductance de la boucle grille-source. Si cette tension est supérieure à la tension de seuil, un courant croisé se produira entre les commutateurs côté haut et côté bas du demi-pont. Une faible inductance de boucle de grille n'est possible que dans la co-intégration monolithique du powerstage et du gate-driver, où un chemin séparé de pull-down et pull-up pour chaque transistor GaN est très souhaitable. Temps mort Le temps mort dans un demi-pont est le temps entre l'événement de coupure d'un transistor et l'événement de mise sous tension du transistor de pont complémentaire. Un contrôle granulaire du temps mort est essentiel. Un temps mort trop court entraînera des pertes excessives car la capacité drain-source de GaN est déchargée par le GaN complémentaire. La commutation de tension nulle se produit à des temps morts plus grands, permettant à la capacité drain-source d'être déchargée par l'inductance (dans un convertisseur abaisseur). Par conséquent, cette énergie n'est pas dissipée. Des temps morts trop longs introduiront des pertes plus importantes car la conduction inverse d'un GaN de zéro Vgs est soumise à une chute de tension plus importante (de quelques volts) par rapport à une diode. Les temps morts fixes conduisent à une efficacité sous-optimale et doivent être réglés sur le temps mort approprié pour une perte minimale, qui dépend fortement de l'application.
Surcharge de la porte
Dans les applications de commande de grille non isolées, le pilote de grille est souvent alimenté par l'amorçage de l'alimentation basse tension. Cette technique chargera le découplage de l'alimentation du pilote de grille côté haut. condensateur via une diode haute tension rapide. Cela génère une tension flottante qui est utilisée pour alimenter tous les circuits flottants utilisés pour piloter le prépilote côté haut. Comme expliqué précédemment, le temps mort non nul fera descendre la tension drain-source du transistor GaN côté bas – en fonction de la direction de l'amplitude du courant de la charge – en dessous de zéro. Cela provoque effectivement une charge du condensateur d'amorçage au-delà de l'alimentation d'entrée. Une grille GaN est connue pour être notoirement sensible aux surtensions de grille, elle doit donc être protégée contre la surcharge pour garantir la fiabilité du convertisseur. En pratique, cela est réduit grâce à l'utilisation de structures de serrage, au prix d'une consommation électrique accrue du pilote de grille et d'un encombrement du PCB dont l'efficacité est limitée par les parasites du PCB.
Fonctionnement de la tension de sortie négative
L'oscillation négative de la tension du pilote de sortie dépend de l'inductance de la source parasite et des conditions de charge du convertisseur de puissance, qui peuvent être mal prédites. Pour un fonctionnement prévisible, il est nécessaire de garantir que le pont de convertisseur peut toujours être contrôlé, même en cas de tension négative par rapport à la masse d'alimentation. Dans un variateur de niveau à couplage CC, des précautions spéciales doivent être prises pour permettre un fonctionnement sous la masse d'alimentation.
Fonctionnement à cycle de service élevé
Le fonctionnement amorcé d'un pilote de grille est un moyen simple et efficace de fournir une charge pour commander le transistor côté haut, par exemple, dans un demi-pont. Inévitablement, il y a une fuite et une polarisation dépendant de la température pour supporter les circuits nécessaires dans le système de prédilection - ce qui provoque une fuite de la tension d'amorçage. Si la tension d'amorçage diminue en dessous d'une certaine tension minimale (souvent surveillée par le circuit de détection de sous-tension intégré), le circuit de prédilection peut agir de manière erronée et dans le pire des cas, au détriment du convertisseur. Pour une application de capacité bootstrap et de convertisseur de puissance donnée, cela définit un maximum sur le cycle de service qui peut être maintenu ou limite la profondeur de modulation qui peut être utilisée.
La réponse du MinDCet: Les applications haut de gamme à haute densité de puissance et de commutation rapide MDC901 nécessitent un powerstage GaN - où un pilote spécifique est nécessaire pour assurer une conduite fiable et protéger la précieuse scène GaN.
Pour s'attaquer aux pièges précédemment décrits et fournir les performances requises par le GaN, MinDCet a introduit le pilote de porte GaN MDC901. Le schéma fonctionnel illustré à la figure 4 donne un aperçu de la fonctionnalité clé, résolvant les principaux pièges décrits dans les sections précédentes.
Des chemins de pull-up et de pull-down séparés permettent un réglage de la vitesse de rotation et par conséquent de la vitesse de balayage de l'étage de sortie tout en maintenant un chemin de réduction à faible impédance pour le transistor GaN. Cela maintient la tension grille-source sous contrôle à l'état bloqué, évitant une mise en marche parasite, même sous des courants capacitifs drain-grille élevés.
Le temps mort pour l'activation et la désactivation peut être réglé via une série d'entrées numériques. Cela permet un réglage statique du temps mort pour une application donnée ou en conjonction avec un contrôleur, cela pourrait être effectué de manière dynamique pour une efficacité optimale. De plus, le temps mort peut être réglé en mode automatique. Une boucle fermée détecte les tensions de grille GaN et la grille n'est activée que lorsque la porte GaN complémentaire est désactivée. Il s'agit d'un mode de fonctionnement à sécurité intégrée.
Le risque de surcharge de grille pendant le fonctionnement à tension négative est résolu en plaçant des régulateurs entièrement flottants à la fois dans le domaine du côté haut et du côté bas après la diode d'amorçage. Il en résulte une tension d'attaque de grille bien définie et solidement protégée.
Figure 4: Le schéma de principe du pilote de porte GaN MDC901.
Figure 5: La carte d'évaluation demi-pont MDC901 100V.
Le fonctionnement à tension de sortie négative est garanti jusqu'à -4V, permettant un contrôle précis de la porte même sous des courants inductifs élevés. Cela a été accommodé par un levier de vitesses spécialement conçu et une génération d'alimentation flottante.
Pour les applications à cycle de service élevé (par exemple, les pilotes de moteur et les amplificateurs de classe D), il est obligatoire de maintenir un état de marche côté haut pendant de plus longues périodes. Cette fonctionnalité a été mise en œuvre par une pompe de charge intégrée, compensant la polarisation CC dans des conditions de cycle de service de 100%.
Le MDC901 fournit une solution haut de gamme et riche en fonctionnalités pour piloter les transistors GaN de manière fiable pour maximiser les performances dans l'application donnée. Le pilote a été développé pour les solutions DC-DC, mais peut être utilisé pour toutes les autres applications de conduite GaN telles que LIDAR, les pilotes de moteur et papier applications de fusibles nécessitant une véritable capacité de 200 V. Pour permettre une conception simple et rapide du pilote de porte MDC901 dans diverses applications, une carte d'évaluation en demi-pont 100 V dans une topologie de convertisseur abaisseur, comme illustré à la figure 5, a été développée pour aider les concepteurs d'électronique de puissance.
Conclusions
Activer les véritables avantages des étages de puissance GaN nécessite la mise en œuvre d'un pilote de grille optimisé spécialement conçu pour fonctionner avec des transistors GaN. En conséquence, le GaN peut être poussé à ses limites, produisant les performances les plus élevées possibles, ce qui permet un retour maximal sur l'investissement technologique et monétaire. Un pilote de grille discret tel que le MDC901 offre à l'utilisateur la flexibilité, les diagnostics et un ensemble étendu de fonctionnalités pour choisir les transistors GaN les mieux adaptés à l'application donnée.