En aplicaciones de energía, los dispositivos de nitruro de galio (GaN) tienen importantes ventajas de rendimiento y eficiencia sobre los dispositivos MOSFET de silicio tradicionales. Los dispositivos de nitruro de galio pueden satisfacer las necesidades de diversas industrias, con mayor densidad, velocidad de conmutación más rápida y mayor eficiencia energética. Pero para algunas aplicaciones, enfrentarán importantes desafíos de diseño.
Desde cargadores USB-C compactos y cargadores electrónicos para automóviles hasta aplicaciones solares y de centros de datos, los diseñadores están ansiosos por utilizar la tecnología de semiconductores GaN para crear productos de refrigeración más pequeños, más ligeros y mejores.
Dada la rápida velocidad de conmutación de los dispositivos GaN, los diseñadores enfrentarán múltiples desafíos, incluida la inductancia parásita, requisitos de control de puerta más precisos, corriente de fuga de puerta y caída de voltaje de conducción inversa.
Un controlador de GaN dedicado es una opción ideal para diseñar determinadas aplicaciones basadas en GaN. Por ejemplo, Analog Devices, Inc. ofrece una gama de controladores de potencia GaN. Los diseñadores pueden utilizar controladores FET de GaN dedicados simples, como el controlador GaN de medio puente LT8418 de 100 V con un interruptor de arranque inteligente integrado (Figura 1).
Figura 1: Controlador GaN de medio puente LT8418 dedicado de ADI. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)
Este dispositivo utiliza un controlador de puerta independiente para controlar con precisión la velocidad de respuesta del FET de GaN durante los períodos de encendido y apagado, suprimiendo así el timbre y mejorando el rendimiento de EMI. El dispositivo también utiliza un empaquetado a nivel de chip a nivel de oblea (WLCSP) para minimizar la inductancia parásita.
Además, se pueden elegir controladores más complejos, como los controladores reguladores de conmutación CC/CC duales de alto rendimiento LTC7890 y LTC7891 (Figura 2) para GaN FET.
Figura 2: Controlador regulador de conmutación CC/CC ADI LTC7891 de alto rendimiento adecuado para GaN FET. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)
A diferencia de las soluciones MOSFET de silicio, los dispositivos LTC7890/LTC7891 no requieren diodos protectores ni otros componentes externos. El voltaje de activación de la puerta de estos dispositivos se puede ajustar con precisión entre 4 V y 5,5 V para optimizar el rendimiento y admitir el uso de otros FET de GaN o MOSFET de nivel lógico.
Cuando el controlador de silicio es la única opción
Actualmente no existe un controlador de GaN dedicado para componentes clave, como los controladores reductores de refuerzo de 4 interruptores. Con una operación cuidadosa, los ingenieros pueden utilizar controladores diseñados originalmente para MOSFET para controlar los FET de GaN, mejorando así la potencia y la eficiencia. Si los controladores para dispositivos de silicio se utilizan directamente en aplicaciones de GaN, se debe tener especial cuidado al seleccionar componentes y diseñar placas de circuito, y es posible que también se requieran otros circuitos.
En los convertidores de alta potencia, el voltaje de salida de los controladores de puerta tradicionales suele ser superior a 5 V, normalmente entre 7 V y 10 V y, a veces, incluso superior. Cuando se activa el FET de GaN con este voltaje, puede causar problemas porque el voltaje de compuerta nominal máximo del FET de GaN suele ser de solo 6 V. Incluso si este límite se excede brevemente debido a picos de voltaje o zumbidos causados por inductancia parásita en la PCB, puede dañar permanentemente el dispositivo GaN.
Para evitar estos problemas, los diseñadores deben elegir el controlador correctamente y monitorear de cerca el diseño de la PCB, especialmente alrededor de la puerta y las rutas de retorno de la fuente, para mantener la inductancia baja tanto como sea posible y reducir los excesos de voltaje innecesarios.
Muchos controladores MOSFET utilizan controladores de puerta de silicio no regulados, pero su voltaje puede superar el voltaje máximo absoluto de GaN FET. Al diseñar, se debe considerar la gestión del voltaje del accionamiento de la puerta, la regulación del suministro de energía de arranque y la optimización del tiempo muerto.
El dispositivo reductor de 4 interruptores debe utilizar un controlador de puerta de 5 V para evitar sobretensiones inesperadas en GaN FET. También es importante introducir componentes de protección como circuitos de abrazadera o limitadores de voltaje de puerta para proteger la puerta de sobretensiones accidentales.
Al utilizar un diodo Zener de 5,1 V en paralelo con un condensador de arranque, el LT8390A de ADI se puede utilizar como controlador de puerta de 5 V (Figura 3). Esto fijará el voltaje de la puerta al nivel de conducción recomendado, de modo que el dispositivo esté siempre dentro del rango de funcionamiento seguro. Para brindar mayor protección, se puede conectar una resistencia de 10 Ω en serie con un circuito de arranque para reducir cualquier fenómeno de timbre que pueda ser causado por nodos de conmutación de alta potencia muy rápidos.