GaN tecnologia é um verdadeiro capacitador para os estágios de potência, fornecendo hoje um desempenho impensável na década anterior. O desempenho e os benefícios máximos do GaN são obtidos apenas quando o gate-driver corresponde ao mesmo grau de desempenho e inovação dos transistores. Após muitos anos de pesquisa e desenvolvimento, o MinDCet superou as armadilhas na condução do portão GaN, introduzindo o driver do portão MDC901.
Introdução
Desde a introdução dos primeiros transistores de nitreto de gálio (GaN) há mais de dez anos, suas vantagens em eletrônica de potência tornaram-se conhecidas. De fato, as propriedades do material de GaN oferecem capacitâncias parasitas mais baixas para uma determinada resistência, transientes de comutação rápida inerentes, falta de recuperação reversa e capacidade de operação em alta temperatura. Essas excelentes propriedades são aparentemente a combinação perfeita para conversores de energia de alto desempenho.
No entanto, dois aspectos importantes devem ser considerados para atingir o potencial de desempenho do GaN. Em primeiro lugar, é uma concepção comum que a capacidade de comutação transitória rápida do GaN levará diretamente a frequências de comutação significativamente mais altas e, consequentemente, eficiências mais altas. Quando GaN é comutado na velocidade ideal, ele realmente mostrará perdas de comutação menores em comparação com MOSFET tecnologia, para uma determinada frequência. A principal razão para as perdas de comutação de GaN comparativamente mais baixas é a diminuição do tempo durante o transitório de comutação, o tempo em que Voltagem e a corrente estão simultaneamente presentes no switch e através dele. As perdas de Joule causadas por esta perda de comutação aumentam linearmente com a frequência. Eventualmente, ao operar GaN em frequências de comutação cada vez mais altas, a eficiência de GaN resultante pode se tornar igual ou potencialmente inferior a um mosfetconversor baseado em Embora haja benefícios decrescentes de eficiência do GaN em frequências de comutação mais altas, os conversores baseados em GaN também se beneficiam do uso de passivos de armazenamento menores, o que equivale a uma densidade de potência mais alta.
Figura 1: A eficiência medida como uma função da corrente de saída para um conversor Buck baseado em GaN de 48 V para 3.3 V, em diferentes frequências de chaveamento.
Este efeito é demonstrado com um conversor buck abaixador de 48V para 3.3V, construído em torno do driver de portão MinDCet MDC901, uma meia-ponte GaN Systems GS61008P e uma alimentação WE-HCF 1.4uH / 31.5A Indutor, conforme ilustrado na Figura 5. O ciclo de trabalho baixo do conversor se beneficia das velocidades transitórias de comutação rápida, resultando em um aumento de eficiência de 10 a 15 por cento em relação a um equivalente MOSFETconversor baseado em conversor na mesma frequência de comutação. A medição do conversor Buck na Figura 1 exemplifica que, apesar das capacidades do GaN, a eficiência de conversão diminui à medida que a frequência de comutação aumenta. Já em frequências de comutação moderadas de 300 kHz, uma clara diminuição de quase 1 por cento de eficiência por 100 kHz adicionais na frequência de comutação pode ser observada nas frequências medidas de 300 a 700 kHz.
Para um conversor buck de 48V para 12V, essa compensação muda. Examinando a Figura 2, a eficiência do conversor de GaN se beneficia de uma frequência de chaveamento mais alta em cargas baixas a moderadas (até cerca de 10A) na faixa de 300 a 700 kHz. Deve-se notar que o indutor selecionado tem um impacto na eficiência do conversor. Deve-se tomar cuidado ao fazer as compensações corretas no projeto do conversor baseado em GaN.
Figura 2: A eficiência medida como uma função da corrente de saída para um conversor Buck baseado em GaN de 48 V para 12 V, em diferentes frequências de chaveamento.
Em segundo lugar, para habilitar os verdadeiros benefícios intrínsecos do GaN, é necessário alternar em altas velocidades transitórias. Valores de 10 V / ns até 100 V / ns e além são possíveis. O principal componente responsável pela velocidade do transiente é o driver do portão. Naturalmente, o projeto de circuito adequado, especificamente roteamento de energia, roteamento de loop de porta e desacoplamento, precisa ser implementado para permitir que o driver de porta e o GaN façam seu trabalho de maneira otimizada. Em geral, um driver de porta MOSFET padrão pode, em casos únicos, ser capaz de conduzir GaN, mas o desempenho ideal não será alcançado. Como consequência, os benefícios de usar GaN são parcialmente perdidos. Um acionador de portão que alterna GaN em altas velocidades transitórias deve atender a requisitos específicos ao mesmo tempo em que está sujeito a tensões significativas. Esses requisitos rigorosos só podem ser atendidos por um controlador de portão cuidadosamente desenvolvido para trabalhar com GaN.
Armadilhas para GaN Gate-Driving
Os transistores GaN em aplicações de energia têm muito potencial: maior eficiência de energia, maior densidade de energia, projeto potencial sem dissipador / ventoinha, ... No entanto, obter o máximo benefício de um estágio de GaN requer direção cuidadosa, evitando as armadilhas ao longo da estrada.
Altas taxas de giro
Conduzir transistores GaN é muito ambíguo. Esses dispositivos são escolhidos por suas taxas de variação de tensão inerentemente grandes (acima de 100 V / ns), o que leva a perdas de comutação muito baixas (perdas incorridas quando Vds e Ids não são zero). A troca rápida entre os transistores de lado alto e baixo faz com que a corrente de carga alterne muito rapidamente entre a tensão de carga e de entrada (por exemplo, aplicações de conversor Buck). Isso impõe restrições rígidas ao desacoplamento da tensão do barramento, como PCB faixas para a meia-ponte causam overshoot, altamente definido pela indutância do loop de barramento. Além disso, as altas taxas de variação injetam grandes correntes de pico no caminho de direção do portão através da capacitância da fonte de drenagem do transistor de estado desligado.
Ativação Parasitária
Em uma configuração de meia ponte, a ativação parasita pode ocorrer para o transistor que está desligado, quando sua tensão da fonte de drenagem está subitamente aumentando para a tensão do barramento, seja ativamente pelo transistor oposto ou indutivamente através da corrente de carga. Essa corrente será convertida em uma tensão de porta diferente de zero pela impedância pull-down do driver da porta e pela indutância do loop da fonte da porta. Se esta tensão for mais alta do que a tensão limite, uma corrente cruzada ocorrerá entre as chaves de lado alto e de lado baixo da meia-ponte. A indutância de loop de porta baixa só é possível na co-integração monolítica do estágio de potência e do driver de porta, onde um caminho pull-down e pull-up separado para cada transistor GaN é muito desejável. Dead-Time O tempo morto em uma meia ponte é o tempo entre o evento de desligamento de um transistor e o evento de ativação do transistor de ponte complementar. O controle granular do tempo morto é essencial. Um tempo morto muito curto causará perdas excessivas, pois a capacitância da fonte de drenagem de GaN é descarregada pelo GaN complementar. A comutação de tensão zero ocorre em tempos mortos maiores, permitindo que a capacitância da fonte de drenagem seja descarregada pelo indutor (em um conversor Buck). Conseqüentemente, essa energia não é dissipada. Tempos mortos muito longos introduzirão perdas maiores, pois a condução reversa de um GaN com Vgs zero está sujeita a uma queda de tensão maior (de alguns volts) em comparação com um diodo. Os tempos mortos fixos levam a uma eficiência abaixo do ideal e devem ser ajustados para o tempo morto adequado para perda mínima, que é altamente dependente do aplicativo.
Sobrecarga do portão
Em aplicações de acionamento de portão não isolado, o acionador de portão é frequentemente fornecido por meio de inicialização da fonte de baixa tensão. Esta técnica irá cobrar o desacoplamento de alimentação do gate driver do lado alto capacitor através de um diodo rápido de alta tensão. Isso gera uma tensão flutuante que é usada para alimentar todos os circuitos flutuantes usados para acionar o pré-driver do lado alto. Conforme explicado anteriormente, o tempo morto diferente de zero fará com que a tensão da fonte de drenagem do transistor GaN do lado inferior - dependendo da direção da magnitude da corrente da carga - fique abaixo de zero. Isso efetivamente faz com que o capacitor de bootstrap carregue além da fonte de entrada. Uma porta GaN é conhecida por ser notoriamente sensível às sobretensões da porta; portanto, a porta precisa de proteção contra sobrecarga para garantir a confiabilidade do conversor. Na prática, isso é reduzido através do uso de estruturas de fixação, ao custo do aumento do consumo de energia do gate driver e do espaço da PCB, com sua eficácia limitada por parasitas de PCB.
Operação de Tensão de Saída Negativa
A oscilação negativa da tensão do driver de saída depende da indutância da fonte parasita e das condições de carga do conversor de energia, que podem ser mal previstas. Para uma operação previsível, é necessária uma garantia de que a ponte conversora sempre possa ser controlada, mesmo quando a tensão for negativa em relação ao aterramento da alimentação. Em um deslocador de nível acoplado CC, precauções especiais devem ser tomadas para permitir a operação abaixo do aterramento de alimentação.
Operação de ciclo de alta carga
A operação inicializada de um driver de gate é um meio simples e eficaz de fornecer carga para controlar o transistor do lado alto, por exemplo, em uma meia-ponte. Inevitavelmente, há vazamento dependente da temperatura e polarização para os circuitos de suporte necessários no sistema pré-driver - o que faz com que a tensão de bootstrap escape. Se a tensão de bootstrap cair abaixo de uma certa tensão mínima (frequentemente monitorada por meio do circuito de detecção de subtensão integrado), o circuito pré-driver pode agir erroneamente e, na pior das hipóteses, prejudicial ao conversor. Para uma dada capacitância de bootstrap e aplicação de conversor de energia, isso define um máximo no ciclo de trabalho que pode ser mantido ou limita a profundidade de modulação que pode ser usada.
A resposta do MinDCet: O MDC901 High-end, alta densidade de potência e aplicações de comutação rápida exigem um estágio de potência GaN - onde um driver específico é necessário para garantir uma direção confiável e proteger o valioso estágio de GaN.
Para enfrentar as armadilhas descritas anteriormente e fornecer as demandas de desempenho do GaN, o MinDCet introduziu o driver de portão MDC901 GaN. O diagrama de blocos representado na Figura 4 fornece uma visão geral da funcionalidade principal, resolvendo as principais armadilhas descritas nas seções anteriores.
Caminhos separados de pull-up e pull-down permitem o ajuste da velocidade de ativação e, conseqüentemente, a taxa de variação do estágio de saída, enquanto mantém um caminho de baixa impedância para o transistor GaN. Isso mantém a tensão da porta-fonte sob controle no estado desligado, evitando a ativação parasita, mesmo sob altas correntes capacitivas da porta dreno.
O tempo morto para ligar e desligar pode ser definido por meio de uma série de entradas digitais. Isso permite o ajuste estático do tempo morto para uma determinada aplicação ou em conjunto com um controlador, isso pode ser executado dinamicamente para eficiência ideal. Além disso, o tempo morto pode ser definido no modo automático. Um circuito fechado detecta as tensões da porta GaN e a porta só é ligada quando a porta GaN complementar está desligada. Este é um modo de operação à prova de falhas.
O risco de sobrecarga da porta durante a operação de tensão negativa é resolvido colocando reguladores totalmente flutuantes no lado alto e no lado baixo após o diodo de bootstrap. Isso resulta em uma tensão do gate-driver bem definida e fortemente protegida.
Figura 4: O diagrama de blocos do driver do gate MDC901 GaN.
Figura 5: A placa de avaliação de meia ponte MDC901 100V.
A operação com tensão de saída negativa é garantida até -4 V, permitindo um controle de porta preciso mesmo sob altas correntes indutivas. Isso foi acomodado por um deslocador de nível especificamente projetado e geração de fornecimento flutuante.
Para aplicações de alto ciclo de trabalho (por exemplo, drivers de motor e amplificadores classe D), é obrigatório manter o lado alto ligado por longos períodos de tempo. Esta funcionalidade foi implementada por uma bomba de carga integrada, compensando a polarização DC em condições de ciclo de trabalho de 100%.
O MDC901 fornece uma solução avançada e rica em recursos para conduzir transistores GaN de maneira confiável para maximizar o desempenho em determinada aplicação. O driver foi desenvolvido para soluções DC-DC, mas pode ser usado para todas as outras aplicações de condução GaN como LIDAR, drivers de motor e Cartão aplicações de fusíveis que requerem capacidade real de 200V Para permitir o design fácil e rápido do controlador de porta MDC901 em uma variedade de aplicações, uma placa de avaliação de meia-ponte de 100 V em uma topologia de conversor Buck, conforme exibido na Figura 5, foi desenvolvida para auxiliar os projetistas de eletrônicos de potência.
Conclusões
Habilitar os verdadeiros benefícios dos estágios de potência GaN requer a implementação de um gate-driver otimizado que é projetado especificamente para funcionar com transistores GaN. Consequentemente, o GaN pode ser levado ao limite, rendendo o melhor desempenho possível, o que proporciona o máximo retorno sobre o investimento tecnológico e monetário. Um gate-driver discreto, como o MDC901, fornece ao usuário flexibilidade, diagnóstico e um conjunto de recursos expandido para escolher os transistores GaN mais adequados para uma determinada aplicação.