Em aplicações de energia, os dispositivos de nitruro de gálio (GaN) têm vantagens significativas de desempenho e eficiência em relação aos dispositivos MOSFET de silício tradicionais.Os dispositivos de nitruro de gálio podem satisfazer as necessidades de várias indústriasNo entanto, para algumas aplicações, enfrentarão desafios de projeto significativos.
Desde carregadores compactos USB-C e carregadores eletrônicos para carros até aplicações solares e centros de dados, os designers estão ansiosos para utilizar a tecnologia de semicondutores GaN para criar menores, mais leves,e melhores produtos de refrigeração.
Dada a velocidade de comutação rápida dos dispositivos GaN, os projetistas enfrentarão vários desafios, incluindo indutividade parasitária, requisitos de controle de portão mais precisos, corrente de vazamento de portão,e queda de tensão da condução inversa.
Um controlador GaN dedicado é uma escolha ideal para projetar certas aplicações baseadas em GaN. Por exemplo, a Analog Devices, Inc. oferece uma gama de controladores de potência GaN.Os designers podem utilizar drivers GaN FET dedicados simples, tal como o controlador GaN LT8418 100V de meia ponte com um interruptor de arranque inteligente integrado (Figura 1).
Figura 1: Dirigente GaN LT8418 dedicado da ADI (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)
Este dispositivo utiliza um controlador de porta separado para controlar com precisão a taxa de eliminação de GaN FET durante os períodos de ligação e desligação, suprimindo assim o toque e melhorando o desempenho do EMI.O dispositivo também usa embalagem de nível de chip (WLCSP) para minimizar a indutividade parasitária.
Além disso, podem ser escolhidos controladores mais complexos, tais como os controladores de regulação de comutação DC/DC dual buck de alto desempenho LTC7890 e LTC7891 (Figura 2) para GaN FET.
Figura 2: Controlador de regulação de comutação DC/DC de alto desempenho ADI LTC7891 adequado para GaN FET. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)
Ao contrário das soluções MOSFET de silício, os dispositivos LTC7890/LTC7891 não exigem diodos de proteção ou outros componentes externos.A tensão de accionamento da porta destes dispositivos pode ser ajustada com precisão entre 4 V e 5 V..5 V para otimizar o desempenho e suportar a utilização de outros FET GaN ou MOSFET de nível lógico.
Quando o controlador de silício é a única opção
Atualmente, não há um controlador GaN dedicado para componentes-chave, como controladores de aumento de buck de 4 comutadores.Os engenheiros podem ser capazes de usar controladores originalmente projetados para MOSFETs para conduzir GaN FETsSe os controladores para dispositivos de silício forem directamente utilizados em aplicações de GaN, deve ser tomada precaução especial na selecção de componentes e na concepção de placas de circuito,e outros circuitos também podem ser necessários.
Em conversores de alta potência, a tensão de saída dos condutores de portão tradicionais é geralmente superior a 5 V, tipicamente entre 7 V e 10 V, e às vezes ainda maior.Pode causar problemas porque a tensão máxima nominal de entrada do GaN FET é geralmente apenas 6VMesmo que este limite seja superado brevemente devido a picos de tensão ou toque causado pela indutividade perdida no PCB, pode danificar permanentemente o dispositivo GaN.
Para evitar esses problemas, os projetistas precisam escolher o controlador corretamente e monitorar de perto o layout do PCB, especialmente em torno do portão e dos caminhos de retorno da fonte,para manter a baixa indutividade tanto quanto possível e reduzir a sobrecarga de tensão desnecessária.
Muitos drivers MOSFET usam drivers de porta de silício não regulamentados, mas sua tensão pode desviar acima da tensão máxima absoluta do GaN FET.deve ser considerada a gestão da tensão de acionamento da portaRegula a fonte de alimentação e otimiza o tempo morto.
O dispositivo de reforço de buck de 4 interruptores deve utilizar um controlador de porta de 5 V para evitar sobrevoltagem inesperada no GaN FET.É igualmente importante introduzir componentes de protecção, tais como circuitos de pinças ou limitadores de tensão da porta para proteger a porta de sobrevoltagem acidental.
Usando um diodo Zener de 5,1 V em paralelo com um condensador bootstrap, o LT8390A da ADI pode ser usado como um controlador de portão de 5 V (Figura 3).para que o dispositivo esteja sempre dentro do intervalo de operação seguroPara proporcionar mais proteção, um resistor de 10 Ω pode ser ligado em série com um circuito bootstrap para reduzir qualquer fenômeno de toque que possa ser causado por nós de comutação de alta potência muito rápidos.