Pilotaggio di FET GaN con controller progettati per MOSFET al silicio

I dispositivi al nitruro di gallio (GaN) offrono numerosi vantaggi nelle applicazioni di potenza in termini di prestazioni ed efficienza rispetto ai tradizionali componenti MOSFET al silicio. Garantiscono una densità maggiore, una commutazione più rapida e una maggiore efficienza energetica, caratteristiche sempre più richieste in molti settori. Ma per alcune applicazioni, ciò pone alcune sfide progettuali di non poco conto.

Dai caricabatterie USB-C compatti a quelli elettronici di bordo per veicoli fino alle applicazioni di energia solare e data center, i progettisti sono ansiosi di sfruttare la tecnologia dei semiconduttori GaN per realizzare prodotti più piccoli, più leggeri e più freddi.

A causa delle elevate velocità di commutazione dei componenti GaN, i progettisti devono affrontare molteplici sfide, tra cui l'induttanza parassita, la necessità di un controllo del gate più preciso, la corrente di dispersione del gate e le cadute di tensione per conduzione inversa.

I controller GaN realizzati appositamente rappresentano la scelta ideale per la progettazione di determinate applicazioni basate sul GaN. Ad esempio, Analog Devices, Inc. offre una gamma di controller di potenza GaN. I progettisti possono trarre vantaggio da semplici driver FET GaN dedicati, come il modello a semiponte da 100 V LT8418 con interruttore bootstrap intelligente integrato (Figure 1).

Figura 1: Driver GaN a semiponteLT8418 di ADI, realizzato appositamente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Questo dispositivo incorpora gate driver divisi per controllare con precisione la velocità di risposta dei FET GaN durante l'accensione e lo spegnimento, sopprimendo così le risonanze e migliorando le prestazioni EMI. Utilizza inoltre il contenitore WLCSP (wafer level chip-scale) per ridurre al minimo l'induttanza parassita.

Sono anche disponibili controller più complessi, come i modelli LTC7890 e LTC7891 (Figure 2), due controller di regolatore a commutazione c.c./c.c. step-down ad alte prestazioni per FET GaN.

Figura 2: Regolatore a commutazione c.c./c.c. ad alte prestazioni LTC7891 di ADI per FET GaN. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

A differenza delle soluzioni con MOSFET al silicio, i dispositivi LTC7890/LTC7891 non richiedono diodi di protezione o componenti esterni aggiuntivi. La loro tensione di pilotaggio del gate può essere regolata con precisione da 4 V a 5,5 V per ottimizzare le prestazioni e consentire l'uso di altri FET GaN o di MOSFET a livello di logica.

Quando un controller al silicio è l'unica opzione

Per alcuni componenti critici, come i controller buck/boost a 4 interruttori, non sono disponibili controller GaN adatti allo scopo. I progettisti potrebbero essere in grado di pilotare i FET GaN adattando i controller esistenti, progettati per i MOSFET, ottenendo così maggiore potenza ed efficienza, a patto che procedano con cautela. L'utilizzo di controller destinati ai prodotti al silicio per applicazioni GaN richiede attenzione nella selezione dei componenti e nella progettazione a livello di scheda e potrebbe comportare circuiti aggiuntivi.

Nei convertitori ad alta potenza, i gate driver tradizionali spesso erogano tensioni superiori a 5 V, in genere comprese tra 7 V e 10 V, a volte anche di più. Ciò crea un problema quando si pilotano i FET GaN, che solitamente hanno una tensione di gate massima di soli 6 V. Il superamento di questo limite, anche brevemente, a causa di picchi di tensione o risonanze dovute all'induttanza parassita sulla PCB può danneggiare in modo permanente i dispositivi GaN.

I progettisti possono evitare questi problemi usando il controller giusto e prestando molta attenzione al layout della PCB, in particolare per quanto riguarda i percorsi di ritorno del gate e della sorgente, per mantenere l'induttanza il più bassa possibile e ridurre le sovratensioni indesiderate.

Molti driver MOSFET utilizzano gate driver al silicio non regolati che possono superare la tensione massima assoluta dei FET GaN. Le considerazioni progettuali includono la gestione della tensione di comando del gate, la regolazione dell'alimentazione bootstrap e l'ottimizzazione dei tempi morti.

Un dispositivo buck/boost a 4 interruttori deve utilizzare un gate controller da 5 V per impedire sovratensioni accidentali dei FET GaN. È inoltre importante includere componenti di protezione, come circuiti di tenuta all'impulso o limitatori di tensione del gate, per salvaguardare il gate da sovratensioni accidentali.

LT8390A di ADI può funzionare come gate controller da 5 V se utilizzato con diodi Zener a 5,1 V collocati in parallelo con condensatori bootstrap (Figure 3). In questo modo la tensione del gate viene bloccata al livello di comando consigliato, in modo che rimanga entro un intervallo di funzionamento sicuro. Per una protezione aggiuntiva, è possibile aggiungere resistori da 10 Ω in serie con i bootstrap per ridurre eventuali sovraoscillazioni che potrebbero essere causate dai nodi di commutazione molto veloci e ad alta potenza.

Figura 3: Questo schema semplificato illustra il controller buck/boost a 4 interruttori LT8390A che utilizza diodi Zener da 5,1 V (D5 e D6) e resistori da 10 Ω per la protezione dalla tensione nel pilotaggio dei FET GaN. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Conclusione

I controller MOSFET al silicio, come il controller buck/boost LT8390A di ADI, possono essere adattati per pilotare i FET GaN in modo sicuro ed efficace, consentendo ai progettisti di creare applicazioni GaN anche quando non sono disponibili controller c.c./c.c. GaN realizzati appositamente.

Per ulteriori informazioni, vedere il webinar Progettare con il GaN: superare le sfide nell'alimentazione.