Impulso de FET de GaN con controladores diseñados para MOSFET de silicio

Los dispositivos de nitruro de galio (GaN) ofrecen importantes ventajas de rendimiento y eficiencia en comparación con los componentes MOSFET de silicio tradicionales en aplicaciones de energía. Ofrecen la mayor densidad, una conmutación más rápida y una mayor eficiencia energética necesaria en una amplia gama de industrias. Sin embargo, para algunas aplicaciones, existen importantes desafíos de diseño.

Desde cargadores USB-C compactos y cargadores electrónicos integrados para vehículos hasta aplicaciones de energía solar y centros de datos, los diseñadores están ansiosos por aprovechar la tecnología de semiconductores GaN para ofrecer productos más pequeños, livianos y fríos.

Debido a las rápidas velocidades de conmutación de los componentes de GaN, los diseñadores se enfrentan a múltiples desafíos, incluida la inductancia parásita, la necesidad de un control de puerta más preciso, la corriente de fuga de la puerta y las caídas de voltaje de conducción inversa.

Los controladores de GaN especialmente diseñados son una opción ideal para diseñar ciertas aplicaciones basadas en GaN. Por ejemplo, Analog Devices, Inc. ofrece una gama de controladores de potencia GaN. Los diseñadores pueden aprovechar los controladores FET de GaN simples y dedicados, como el controlador GaN de medio puente LT8418 de 100 V con un interruptor de arranque integrado inteligente (Figura 1).

Figura 1: Controlador GaN de medio puente LT8418 especialmente diseñado para ADI. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Este dispositivo incorpora controladores de puerta dividida para controlar con precisión las velocidades de respuesta de los FET de GaN durante el encendido y el apagado, suprimiendo así el ruido y mejorando el rendimiento de EMI. También utiliza el empaquetado de escala de chip a nivel de oblea (WLCSP) para minimizar la inductancia parásita.

También están disponibles controladores más complejos, como los controladores de reguladores de conmutación CC/CC de alto rendimiento, LTC7890 y LTC7891 (Figura 2) para FET de GaN.

Figura 2: Controlador de regulador de conmutación CC/CC de LTC7891 de alto rendimiento de ADI para FET de GaN. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

A diferencia de las soluciones MOSFET de silicio, los dispositivos LTC7890/LTC7891 no requieren diodos de protección ni componentes externos adicionales. Su voltaje de accionamiento de puerta se puede ajustar con precisión de 4 V a 5.5 V para optimizar el rendimiento y permitir el uso de otros FET de GaN o MOSFET de nivel lógico.

Cuando un controlador de silicio es la única opción

No hay controladores de GaN especialmente diseñados disponibles para algunos componentes críticos, como los controladores reductores-elevadores de 4 interruptores. Es posible que los diseñadores puedan adaptar los controladores existentes diseñados para MOSFET para impulsar FET de GaN y así mejorar la potencia y la eficiencia, siempre que trabajen con precaución. El uso de controladores dirigidos al silicio para aplicaciones de GaN requiere cuidado en la selección de componentes y el diseño a nivel de placa, y puede implicar circuitos adicionales.

En los convertidores de alta potencia, los controladores de puerta tradicionales a menudo emiten voltajes superiores a 5 V, generalmente entre 7 V y 10 V, a veces incluso más. Esto crea un problema cuando se conducen FET de GaN, que generalmente tienen una tensión nominal de puerta máxima de solo 6 V. Exceder este límite, incluso brevemente, debido a picos de voltaje o timbres de inductancia parásita en la placa CI puede dañar permanentemente los dispositivos de GaN.

Los diseñadores pueden evitar estos problemas seleccionando el controlador adecuado y prestando mucha atención al diseño de la placa CI, especialmente alrededor de la puerta y las rutas de retorno de la fuente para mantener la inductancia lo más baja posible y reducir el sobreimpulso de voltaje no deseado.

Muchos controladores MOSFET utilizan controladores de puerta de silicio no regulados que pueden derivar por encima del voltaje máximo absoluto de los FET de GaN. Las consideraciones de diseño incluyen la gestión del voltaje del accionamiento de la compuerta, la regulación del suministro de arranque y la optimización del tiempo muerto.

Un dispositivo reductor-elevador de 4 interruptores debe utilizar un controlador de compuerta de 5 V para evitar una sobretensión accidental de los FET de GaN. También es importante incluir componentes de protección, como circuitos de sujeción o limitadores de voltaje de la puerta, para proteger la puerta de sobretensiones accidentales.

El LT8390A de ADI puede funcionar como un controlador de puerta de 5 V mediante la utilización de diodos Zener de 5.1 V colocados en paralelo con capacitores de arranque (Figura 3). Esto sujeta el voltaje de la puerta al nivel de accionamiento recomendado para que permanezca dentro de un rango de funcionamiento seguro. Para una protección adicional, se pueden agregar resistencias de 10 Ω en serie con las correas de arranque para reducir cualquier timbre que pueda ser causado por los nodos de conmutación muy rápidos y de alta potencia.

Figura 3 : Este esquema simplificado ilustra el controlador reductor elevador de LT8390A de 4 interruptores que utiliza diodos Zener de 5.1 V (D5 y D6) y resistencias de 10 Ω para la protección de voltaje en la conducción de FET de GaN. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Conclusión

Los controladores MOSFET de silicio, como el controlador reductor LT8390A de ADI, se pueden adaptar para impulsar FET de GaN de manera segura y efectiva, lo que permite a los diseñadores crear aplicaciones de GaN incluso cuando los controladores de GaN de CC a CC especialmente diseñados no están disponibles.

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