W zastosowaniach energetycznych urządzenia z azotku galu (GaN) mają znaczną przewagę w zakresie wydajności i wydajności w porównaniu z tradycyjnymi krzemowymi urządzeniami MOSFET. Urządzenia z azotku galu mogą zaspokoić potrzeby różnych gałęzi przemysłu, charakteryzując się większą gęstością, większą szybkością przełączania i wyższą efektywnością energetyczną. Jednak w przypadku niektórych zastosowań staną przed poważnymi wyzwaniami projektowymi.
Od kompaktowych ładowarek USB-C i elektronicznych ładowarek samochodowych po zastosowania w instalacjach fotowoltaicznych i centrach danych – projektanci chętnie wykorzystują technologię półprzewodników GaN do tworzenia mniejszych, lżejszych i lepszych produktów chłodzących.
Biorąc pod uwagę dużą prędkość przełączania urządzeń GaN, projektanci staną przed wieloma wyzwaniami, w tym indukcyjnością pasożytniczą, bardziej precyzyjnymi wymaganiami dotyczącymi sterowania bramką, prądem upływu bramki i spadkiem napięcia podczas przewodzenia zwrotnego.
Dedykowany kontroler GaN to idealny wybór do projektowania niektórych aplikacji opartych na GaN. Na przykład firma Analog Devices, Inc. oferuje szeroką gamę kontrolerów mocy GaN. Projektanci mogą wykorzystywać proste, dedykowane sterowniki GaN FET, takie jak półmostkowy sterownik GaN LT8418 100 V ze zintegrowanym inteligentnym przełącznikiem ładowania początkowego (rysunek 1).
Rysunek 1: Dedykowany półmostkowy sterownik GaN LT8418 firmy ADI. (Źródło obrazu: Analog Devices, Inc.)
Urządzenie to wykorzystuje oddzielny sterownik bramki do precyzyjnego kontrolowania szybkości narastania tranzystora GaN FET podczas okresów włączania i wyłączania, tłumiąc w ten sposób dzwonienie i poprawiając wydajność EMI. W urządzeniu zastosowano również opakowanie na poziomie płytki (WLCSP), aby zminimalizować indukcyjność pasożytniczą.
Ponadto można wybrać bardziej złożone sterowniki, takie jak LTC7890 i LTC7891 (rysunek 2) o wysokiej wydajności, dwuzakresowe regulatory przełączające DC/DC dla GaN FET.
Rysunek 2: Wysokowydajny regulator przełączający ADI LTC7891 DC/DC odpowiedni dla GaN FET. (Źródło obrazu: Analog Devices, Inc.)
W przeciwieństwie do krzemowych rozwiązań MOSFET, urządzenia LTC7890/LTC7891 nie wymagają diod ochronnych ani innych elementów zewnętrznych. Napięcie sterujące bramką tych urządzeń można precyzyjnie regulować w zakresie od 4 V do 5,5 V, aby zoptymalizować wydajność i umożliwić użycie innych tranzystorów FET GaN lub MOSFET na poziomie logicznym.
Kiedy kontroler krzemowy jest jedyną opcją
Obecnie nie ma dedykowanego kontrolera GaN dla kluczowych komponentów, takich jak kontrolery buck boost z 4 przełącznikami. Przy starannej obsłudze inżynierowie mogą być w stanie wykorzystać kontrolery pierwotnie zaprojektowane dla tranzystorów MOSFET do sterowania tranzystorami GaN FET, poprawiając w ten sposób moc i wydajność. Jeśli sterowniki urządzeń krzemowych są bezpośrednio stosowane w zastosowaniach GaN, należy zachować szczególną ostrożność przy wyborze komponentów i projektowaniu płytek drukowanych, gdyż mogą być wymagane również inne obwody.
W przetwornicach dużej mocy napięcie wyjściowe tradycyjnych sterowników bramek jest zwykle wyższe niż 5 V, typowo od 7 V do 10 V, a czasem nawet wyższe. Podczas zasilania GaN FET tym napięciem może to powodować problemy, ponieważ maksymalne znamionowe napięcie bramki GaN FET wynosi zwykle tylko 6 V. Nawet jeśli ten limit zostanie na krótko przekroczony z powodu skoków napięcia lub dzwonienia spowodowanego indukcyjnością błądzącą na płytce drukowanej, może to trwale uszkodzić urządzenie GaN.
Aby uniknąć tych problemów, projektanci muszą prawidłowo wybrać sterownik i uważnie monitorować układ PCB, szczególnie wokół bramki i ścieżek powrotnych źródła, aby w jak największym stopniu utrzymać niską indukcyjność i ograniczyć niepotrzebne przekroczenia napięcia.
Wiele sterowników MOSFET wykorzystuje nieregulowane sterowniki bramek krzemowych, ale ich napięcie może przekraczać bezwzględne maksymalne napięcie GaN FET. Podczas projektowania należy zwrócić uwagę na zarządzanie napięciem napędu bramki, regulację zasilania ładowania początkowego i optymalizację czasu martwego.
Urządzenie podwyższające napięcie z 4 przełącznikami musi wykorzystywać kontroler bramki 5 V, aby zapobiec nieoczekiwanym przepięciom w GaN FET. Ważne jest również wprowadzenie elementów ochronnych, takich jak obwody zaciskowe lub ograniczniki napięcia bramki, aby chronić bramę przed przypadkowym przepięciem.
Używając diody Zenera 5,1 V równolegle z kondensatorem ładowania początkowego, LT8390A ADI może być używany jako kontroler bramki 5 V (rysunek 3). Spowoduje to ograniczenie napięcia bramki do zalecanego poziomu sterującego, dzięki czemu urządzenie będzie zawsze w bezpiecznym zakresie roboczym. Aby zapewnić lepszą ochronę, rezystor 10 Ω można połączyć szeregowo z obwodem ładowania początkowego, aby ograniczyć zjawisko dzwonienia, które może być spowodowane przez bardzo szybkie węzły przełączające dużej mocy.