GaN la tecnologia è un vero abilitatore per gli stadi di potenza, fornendo oggi prestazioni impensabili nel decennio precedente. Le massime prestazioni e i vantaggi del GaN si ottengono solo quando il gate driver corrisponde allo stesso grado di prestazioni e innovazione dei transistor. Dopo molti anni di ricerca e sviluppo, MinDCet ha superato le insidie nella guida di gate GaN introducendo il gate driver MDC901.
Introduzione
Dall'introduzione dei primi transistor al nitruro di gallio (GaN) oltre dieci anni fa, i loro vantaggi nell'elettronica di potenza sono diventati ben noti. In effetti, le proprietà del materiale del GaN offrono capacità parassite inferiori per una data resistenza, transitori intrinseci di commutazione rapida, mancanza di recupero inverso e capacità di funzionamento ad alta temperatura. Queste eccellenti proprietà sono apparentemente la combinazione perfetta per convertitori di potenza ad alte prestazioni.
Tuttavia, due aspetti importanti devono essere considerati per raggiungere il potenziale di prestazioni di GaN. In primo luogo, è una concezione comune che la capacità di commutazione rapida dei transienti di GaN porterà direttamente a frequenze di commutazione significativamente più elevate e, di conseguenza, efficienze più elevate. Quando GaN viene commutato alla velocità ottimale, mostrerà effettivamente perdite di commutazione inferiori rispetto a MOSFET la tecnologia, per una data frequenza. La ragione principale delle perdite di commutazione GaN comparativamente inferiori è la diminuzione del tempo durante il transitorio di commutazione, il tempo in cui voltaggio e la corrente sono simultaneamente presenti sopra e attraverso l'interruttore. Le perdite in Joule causate da questa perdita di commutazione aumentano linearmente con la frequenza. Alla fine, quando si utilizza GaN a frequenze di commutazione sempre più elevate, l'efficienza GaN risultante può diventare uguale o potenzialmente inferiore a a mosfetconvertitore basato su. Sebbene i vantaggi in termini di efficienza del GaN siano in diminuzione a frequenze di commutazione più elevate, i convertitori basati su GaN traggono inoltre vantaggio dall'uso di elementi passivi di archiviazione più piccoli, equivalenti a una densità di potenza più elevata.
Figura 1: l'efficienza misurata in funzione della corrente di uscita per un convertitore buck da 48 V a 3.3 V basato su GaN, a diverse frequenze di commutazione.
Questo effetto è dimostrato con un convertitore buck step-down da 48 V a 3.3 V, costruito attorno al gate driver MinDCet MDC901, un semiponte GaN Systems GS61008P e un'alimentazione WE-HCF 1.4 uH / 31.5 A Induttore, come illustrato nella Figura 5. Il ciclo di lavoro basso del convertitore trae vantaggio dalle velocità transitorie di commutazione elevate, con un conseguente aumento dell'efficienza dal 10 al 15% rispetto a un equivalente MOSFETconvertitore basato sulla stessa frequenza di commutazione. La misurazione del convertitore buck nella Figura 1 esemplifica il fatto che, nonostante le capacità del GaN, l'efficienza di conversione diminuisce all'aumentare della frequenza di commutazione. Già a frequenze di commutazione moderate di 300 kHz si può osservare una chiara diminuzione di efficienza di quasi l'1% per ogni 100 kHz aggiuntivi nella frequenza di commutazione sulle frequenze misurate da 300 a 700 kHz.
Per un convertitore buck da 48V a 12V questo compromesso cambia. Esaminando la Figura 2, l'efficienza del convertitore GaN beneficia di una frequenza di commutazione più elevata a carichi da bassi a moderati (fino a circa 10 A) nell'intervallo da 300 a 700 kHz. È da notare che l'induttore selezionato ha un impatto sull'efficienza del convertitore. È necessario prestare attenzione nel fare i giusti compromessi nel design del convertitore basato su GaN.
Figura 2: l'efficienza misurata in funzione della corrente di uscita per un convertitore buck da 48 V a 12 V basato su GaN, a diverse frequenze di commutazione.
In secondo luogo, per abilitare i veri vantaggi intrinseci del GaN, è necessario passare a velocità transitorie elevate. Sono possibili valori da 10V / ns fino a 100V / ns e oltre. Il componente principale responsabile della velocità transitoria è il gate driver. Naturalmente, è necessario implementare una progettazione appropriata del circuito, in particolare il routing dell'alimentazione, il routing del gate-loop e il disaccoppiamento per consentire al gate-driver e al GaN di svolgere il proprio lavoro in modo ottimale. In generale, un gate driver MOSFET standard può in casi unici essere in grado di pilotare GaN, ma non si raggiungeranno prestazioni ottimali. Di conseguenza, i vantaggi dell'utilizzo del GaN vengono in parte persi. Un gate driver che commuta il GaN a velocità transitorie elevate deve soddisfare requisiti specifici e contemporaneamente essere sottoposto a sollecitazioni significative. Questi severi requisiti possono essere soddisfatti solo da un gate driver sviluppato con cura per funzionare con GaN.
Insidie per GaN Gate-Driving
I transistor GaN nelle applicazioni di potenza hanno un grande potenziale: maggiore efficienza energetica, maggiore densità di potenza, potenziale dissipatore di calore / design senza ventola, ... Tuttavia, ottenere il massimo beneficio da uno stadio GaN richiede una guida attenta, evitando le insidie lungo la strada.
Velocità di rotazione elevate
Il pilotaggio dei transistor GaN è molto ambiguo. Questi dispositivi vengono scelti per le loro velocità di variazione della tensione intrinsecamente elevate (superiori a 100 V / ns), che portano a perdite di commutazione molto basse (perdite sostenute quando Vds e Ids non sono zero). La rapida commutazione tra i transistor low e highside fa sì che la corrente di carico si alterni molto rapidamente tra il carico e la tensione di ingresso (es. Applicazioni con convertitore buck). Ciò pone vincoli rigidi al disaccoppiamento della tensione del bus, come pcb le tracce al semiponte causano un superamento, altamente definito dall'induttanza del loop del bus. Inoltre, gli alti tassi di variazione iniettano grandi correnti di picco nel percorso di pilotaggio del gate attraverso la capacità di drain source del transistore a stato spento.
Accensione parassitaria
In una configurazione a mezzo ponte, può verificarsi un'accensione parassita del transistor che è spento, quando la sua tensione di drain-source aumenta improvvisamente fino alla tensione del bus, attivamente dal transistor opposto o induttivamente attraverso la corrente di carico. Questa corrente verrà convertita in una tensione di gate diversa da zero sia dall'impedenza di pull-down del gate driver che dall'induttanza del loop gate-source. Se questa tensione è superiore alla tensione di soglia, si verificherà una corrente incrociata tra gli interruttori high-side e low-side del semiponte. Una bassa induttanza del loop di gate è possibile solo nella co-integrazione monolitica dello stadio di potenza e del gate-driver, dove un percorso separato di pull-down e pull-up per ciascun transistor GaN è molto desiderabile. Tempo morto Il tempo morto in un semiponte è il tempo tra l'evento di spegnimento di un transistor e l'evento di accensione del transistor a ponte complementare. Il controllo granulare del tempo morto è essenziale. Un tempo morto troppo breve causerà perdite eccessive poiché la capacità di drain-source del GaN viene scaricata dal GaN complementare. La commutazione a tensione zero avviene a tempi morti maggiori, consentendo alla capacità di drain-source di essere scaricata dall'induttore (in un convertitore buck). Di conseguenza, questa energia non viene dissipata. Tempi morti troppo lunghi introdurranno perdite maggiori poiché la conduzione inversa di un GaN con Vgs zero è soggetta a una caduta di tensione maggiore (di pochi volt) rispetto a un diodo. I tempi morti fissi portano a un'efficienza non ottimale e devono essere regolati sul tempo morto appropriato per una perdita minima, che dipende fortemente dall'applicazione.
Sovraccarico del cancello
Nelle applicazioni gate drive non isolate, il gate driver viene spesso alimentato tramite bootstrap dell'alimentazione a bassa tensione. Questa tecnica caricherà il disaccoppiamento dell'alimentazione del gate driver high-side condensatore attraverso un diodo veloce ad alta tensione. Ciò genera una tensione flottante che viene utilizzata per alimentare tutti i circuiti flottanti utilizzati per pilotare il predriver high-side. Come spiegato in precedenza, il tempo morto diverso da zero farà sì che la tensione drain-source del transistor GaN low-side, a seconda della direzione dell'intensità di corrente del carico, scenda al di sotto dello zero. Ciò fa sì che il condensatore di bootstrap si carichi oltre l'alimentazione di ingresso. È noto che un gate GaN è notoriamente sensibile alle sovratensioni del gate, pertanto il gate necessita di protezione contro il sovraccarico per garantire l'affidabilità del convertitore. In pratica questo viene ridotto attraverso l'uso di strutture di bloccaggio, al prezzo di un maggiore consumo energetico del gate driver e dell'ingombro del PCB con la sua efficacia limitata dai parassiti del PCB.
Funzionamento con tensione di uscita negativa
L'oscillazione negativa della tensione del driver di uscita dipende dall'induttanza della sorgente parassita e dalle condizioni di carico del convertitore di potenza, che possono essere scarsamente previste. Per un funzionamento prevedibile, è necessaria una garanzia che il ponte del convertitore possa essere sempre controllato, anche quando la tensione è negativa rispetto alla massa di alimentazione. In un cambio di livello accoppiato in CC, è necessario prendere precauzioni speciali per consentire il funzionamento sotto la massa di alimentazione.
Funzionamento a ciclo di lavoro elevato
Il funzionamento con bootstrap di un gate driver è un mezzo semplice ed efficace per fornire carica per controllare il transistor high-side, ad esempio, in un semiponte. Inevitabilmente, vi sono perdite dipendenti dalla temperatura e polarizzazione per i circuiti di supporto necessari nel sistema predriver, che causano la perdita della tensione di bootstrap. Se la tensione di bootstrap scende al di sotto di una certa tensione minima (spesso monitorata attraverso il circuito di rilevamento della sottotensione a bordo), il circuito predriver potrebbe agire in modo errato e nel peggiore dei casi dannoso per il convertitore. Per una determinata capacità di bootstrap e un'applicazione di convertitore di potenza, questo imposta un massimo sul ciclo di lavoro che può essere mantenuto o limita la profondità di modulazione che può essere utilizzata.
La risposta di MinDCet: MDC901 Le applicazioni di fascia alta, ad alta densità di potenza e commutazione rapida richiedono uno stadio di potenza GaN, in cui è necessario un driver specifico per garantire una guida affidabile e proteggere il prezioso stadio GaN.
Per affrontare le insidie descritte in precedenza e fornire le prestazioni richieste dal GaN, MinDCet ha introdotto il gate driver GaN MDC901. Il diagramma a blocchi illustrato nella Figura 4 fornisce una panoramica della funzionalità chiave, risolvendo le principali insidie descritte nelle sezioni precedenti.
Percorsi separati di pull-up e pull-down consentono di regolare la velocità di accensione e di conseguenza la velocità di variazione dello stadio di uscita mantenendo un percorso di pulldown a bassa impedenza per il transistor GaN. Ciò mantiene la tensione gate-source sotto controllo in stato off evitando accensioni parassite, anche con elevate correnti capacitive di drain-gate.
Il tempo morto di accensione e spegnimento è impostabile tramite una serie di ingressi digitali. Ciò consente la regolazione statica del tempo morto per una data applicazione o in combinazione con un controller, che potrebbe essere eseguita dinamicamente per un'efficienza ottimale. Inoltre, il tempo morto può essere impostato in modalità automatica. Un circuito chiuso rileva le tensioni del gate GaN e il gate viene attivato solo quando il gate GaN complementare è disattivato. Questa è una modalità di funzionamento a prova di errore.
Il rischio di sovraccarico del gate durante il funzionamento a tensione negativa viene risolto posizionando regolatori completamente flottanti sia nel dominio high-side che in quello low-side dopo il diodo di bootstrap. Ciò si traduce in una tensione del gate driver ben definita e robusta.
Figura 4: Lo schema a blocchi del gate driver GaN MDC901.
Figura 5: scheda di valutazione half-bridge MDC901 100V.
Il funzionamento con tensione di uscita negativa è garantito fino a -4V, consentendo un controllo accurato del gate anche in presenza di correnti induttive elevate. Ciò è stato compensato da un cambio di livello appositamente progettato e da una generazione di alimentazione flottante.
Per applicazioni con ciclo di lavoro elevato (ad es. Driver del motore e amplificatori di classe D), è obbligatorio mantenere uno stato attivo lato alto per periodi di tempo più lunghi. Questa funzionalità è stata implementata da una pompa di carica integrata, compensando la polarizzazione CC in condizioni di ciclo di lavoro del 100%.
MDC901 fornisce una soluzione di fascia alta e ricca di funzionalità per pilotare i transistor GaN in modo affidabile per massimizzare le prestazioni in una determinata applicazione. Il driver è stato sviluppato per soluzioni DC-DC, ma può essere utilizzato per tutte le altre applicazioni di guida GaN come LIDAR, driver motore e elettronico applicazioni con fusibili che richiedono una reale capacità di 200 V. Per consentire una progettazione semplice e rapida del gate driver MDC901 in una varietà di applicazioni, è stata sviluppata una scheda di valutazione half-bridge da 100 V in una topologia di convertitore buck, come mostrato nella Figura 5, per assistere i progettisti di elettronica di potenza.
Conclusioni
Abilitare i veri vantaggi degli stadi di potenza GaN richiede l'implementazione di un gate-driver ottimizzato progettato specificamente per funzionare con i transistor GaN. Di conseguenza, il GaN può essere spinto al limite, ottenendo le massime prestazioni possibili, che prevede un massimo ritorno sull'investimento tecnologico e monetario. Un gate-driver discreto come l'MDC901 fornisce all'utente la flessibilità, la diagnostica e un set di funzionalità ampliato per la scelta dei transistor GaN più adatti per la data applicazione.