Componenti di potenza GaN e strumenti di ADI che potenziano le opportunità di progettazione.
I semiconduttori al nitruro di gallio (GaN) hanno fatto molta strada da quando, all'inizio degli anni '90, si sono affermati come scelta commercialmente valida sotto forma di diodi luminescenti (LED) blu e, successivamente, come tecnologia di base per i lettori di dischi ottici Blu-Ray. Dovranno passare quasi due decenni prima che questa tecnologia si affermi per i transistor a effetto di campo (FET) ad alta efficienza energetica.
Il GaN rappresenta oggi uno dei segmenti in più rapida crescita del settore dei semiconduttori, con stime di crescita annua composta che vanno dal 25% al 50%, trainata dalla domanda di dispositivi a una maggiore efficienza energetica per soddisfare gli obiettivi di sostenibilità ed elettrificazione.
I transistor GaN possono essere utilizzati per progettare dispositivi più piccoli e ad alta efficienza rispetto ai transistor al silicio. Inizialmente erano utilizzati per i sistemi di amplificazione a microonde ad alta potenza, ma le economie di scala nella fabbricazione del GaN e la capacità di creare amplificatori piccoli e più potenti ne hanno ampliato l'utilizzo fino a creare un mercato multimiliardario che abbraccia applicazioni consumer, industriali e militari.
Si ritiene che i MOSFET al silicio abbiano raggiunto i loro limiti teorici per l'elettronica di potenza, mentre i FET GaN hanno ancora un grande potenziale per ulteriori progressi in termini di prestazioni. I semiconduttori GaN utilizzano più comunemente substrati di carburo di silicio (SiC), seguiti dal silicio, più economico, o dal diamante, il più performante e costoso. I dispositivi GaNfunzionano a temperature più elevate, con mobilità e velocità degli elettroni superiori rispetto ai dispositivi basati sul silicio e con una carica di recupero inverso bassa o nulla.
I semiconduttori di potenza GaN presentano una densità di potenza pari a circa cinque volte a quella dei semiconduttori per amplificatori di potenza all'arseniuro di gallio (GaAs). Con un'efficienza energetica pari o superiore all'80%, i semiconduttori GaN offrono una potenza, una larghezza di banda e un'efficienza superiori rispetto ad alternative come il GaAs e i semiconduttori all'ossido di metallo a diffusione laterale (LDMOS). La tecnologia viene ora utilizzata in diverse applicazioni, dagli adattatori di alimentazione a ricarica rapida ai dispositivi di rilevamento e telemetria tramite onde luminose (LiDAR) incorporati nei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) per automobili.
I data center rappresentano un altro mercato emergente per i dispositivi basati sul GaN, in grado di soddisfare i crescenti requisiti di consumo energetico e di raffreddamento a costi inferiori, oltre che contribuire a risolvere le crescenti controversie ambientali che gli operatori devono affrontare in ambito normativo e politico.
I produttori di semiconduttori e le società di ricerca di mercato prevedono anche un mercato in crescita per le applicazioni a bassa e alta tensione nei veicoli elettrici, dalle batterie più efficienti agli inverter di trazione a batteria.
Si tratta di un'area che finora è stata dominata dai dispositivi SiC che, come il GaN, sono classificati come semiconduttori ad ampio bandgap (WBG) con un'elevata mobilità elettronica che "consente ai componenti elettronici di potenza di essere più piccoli, più veloci, più affidabili e più efficienti delle loro controparti basate sul silicio (Si)". Il GaN ha un bandgap di 3,4 eV, rispetto ai 2,2 eV del SiC e agli 1,12 eV del Si.
I semiconduttori di potenza GaN e SiC operano a frequenze più elevate e offrono velocità di commutazione più elevate e una resistenza di conduzione inferiore rispetto al silicio. I dispositivi SiC possono funzionare a tensioni più elevate, mentre i dispositivi GaN garantiscono una commutazione più rapida con una minore energia, consentendo ai progettisti di ridurre dimensioni e peso. Il SiC può supportare fino a 1.200 Volt, mentre il GaN è generalmente considerato più adatto per un massimo di 650 V, anche se recentemente sono stati introdotti dispositivi a tensione superiore.
Il GaN può fornire una potenza nel campo di frequenza di circa 10 volte superiore rispetto al GaAse ad altri semiconduttori (Figura 1).
Considerazioni progettuali
Si stima che il 70% o più dell'energia elettrica consumata nel mondo sia destinata all'elettronica di potenza. Grazie alle caratteristiche WBG del GaN, i progettisti possono creare sistemi elettronici di potenza più piccoli, utilizzando una maggiore densità di potenza, un'efficienza superiore e velocità di commutazione elevatissime.
La tecnologia promuove l'innovazione in diversi mercati, tra cui l'elettronica di potenza, l'automotive, l'immagazzinaggio dell'energia solare e i data center. Altamente resistenti alle radiazioni, i dispositivi GaN sono adatti alle emergenti applicazioni militari e aerospaziali.
Alcuni progettisti elettronici potrebbero essersi allontanati dai dispositivi di alimentazione GaN a causa di errate convinzioni sul costo dei materiali. Se inizialmente il costo di fabbricazione del substrato GaN era molto più alto di quello del Si, questo differenziale è diminuito notevolmente e l'utilizzo di diversi substrati offre ai progettisti la possibilità di trovare il miglior compromesso tra costo e prestazioni.
Il GaN su SiC offre il più ampio potenziale di mercato per i progettisti con il miglior rapporto prezzo/prestazioni. Tuttavia, grazie alle opzioni GaN su Si e GaN su diamante, i progettisti possono scegliere il substrato più appropriato per soddisfare le esigenze di prezzo/prestazioni delle loro aziende e dei loro clienti finali.
A causa delle elevatissime velocità di commutazione del GaN, i progettisti devono prestare particolare attenzione alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e a come mitigarle nel layout dell'anello di alimentazione. I gate driver attivi, essenziali per evitare la sovraelongazione di tensione, possono ridurre le EMI delle forme d'onda di commutazione.
Un altro problema di progettazione è dato dall'induttanza e dalla capacità parassite che possono causare falsi positivi. Massimizzare i vantaggi prestazionali dipende dalla disposizione ottimale degli anelli di alimentazione laterali e verticali e dalla corrispondenza tra la velocità del driver e quella del dispositivo.
I progettisti devono anche ottimizzare la gestione termica per evitare un surriscaldamento che può compromettere prestazioni e affidabilità. Il confezionamento deve essere valutato in base alla sua capacità di ridurre le induttanze e dissipare il calore.
Analog Devices offre amplificatori di potenza GaN
I sistemi elettronici richiedono una conversione tra la tensione dell'alimentazione e quella dei circuiti da alimentare. Analog Devices con i suoi amplificatori di potenza GaN leader del settore e supporto per consentire ai progettisti di raggiungere i massimi obiettivi di prestazione e di portare più rapidamente le loro soluzioni sul mercato.
I gate driver e i controller step-down (o buck) sono essenziali per massimizzare i vantaggi dei dispositivi di alimentazione GaN. I driver GaN a semiponte migliorano le prestazioni di commutazione e l'efficienza complessiva dei sistemi di alimentazione. I convertitori step-down c.c./c.c. convertono una tensione di ingresso più alta in una tensione di uscita più bassa.
ADI offre il modello LT8418, un driver GaN a semiponte ponte da 100 V che integra stadi driver superiore e inferiore, controllo della logica del driver, protezioni e un commutatore di bootstrap (Figura 2). Può essere configurato in topologie sincrone a semiponte buck o boost. I gate driver divisi regolano le velocità di variazione in accensione e spegnimento dei FET GaN per ottimizzare le prestazioni EMI.
Gli ingressi e le uscite dei driver GaN di ADI sono caratterizzati da uno stato basso predefinito per evitare false accensioni dei FET GaN. Grazie a un ritardo di propagazione di 10 ns e alla corrispondenza del ritardo di 1,5 ns tra i canali superiore e inferiore, LT8418 è adatto a convertitori c.c./c.c. ad alta frequenza, driver per motori, amplificatori audio in classe D, alimentatori per data center e a un'ampia gamma di applicazioni di alimentazione nei mercati consumer, industriale e automotive.
LTC7890 e LTC7891 (Figura 3) sono regolatori a commutazione c.c./c.c. step-down ad alte prestazioni, rispettivamente doppio e singolo, per il pilotaggio di stadi di potenza GaN FET sincroni a canale N con tensioni di ingresso fino a 100 V. Questi controller, che mirano a risolvere molte delle sfide dei progettisti che utilizzano i FET GaN, semplificano la progettazione dell'applicazione, non richiedendo diodi di protezione o altri componenti esterni aggiuntivi normalmente utilizzati nelle soluzioni con MOSFET al silicio.
Ogni controller offre ai progettisti la possibilità di regolare con precisione la tensione del gate driver da 4 V a 5,5 V per ottimizzare le prestazioni e consentire l'uso di diversi FET GaN e MOSFET di livello logico. I commutatori bootstrap intelligenti interni impediscono l'eccesso di carica delle alimentazioni dei driver high-side dal pin BOOSTx al pin SWx durante i tempi morti, proteggendo il gate del FET GaN superiore.
Entrambi i componenti ottimizzano internamente la temporizzazione del gate driver su entrambi i fronti di commutazione risultando in tempi morti prossimi allo zero, migliorando l'efficienza e consentendo il funzionamento ad alta frequenza. I progettisti possono anche regolare i tempi morti con resistori esterni. I dispositivi sono disponibili con fianchi laterali impregnabili in contenitori quadrupli piatti senza conduttori (QFN). Gli schemi illustrano i circuiti applicativi tipici con le configurazioni LTC7890 a 40 conduttori, 6 x 6 mm (Figura 4) e LTC7891 a 28 conduttori, 4 x 5 mm (Figura 5).
I progettisti possono inoltre avvalersi di un portafoglio di strumenti di gestione dell'alimentazione fornito da ADI per raggiungere gli obiettivi prestazionali di alimentazione e per ottimizzare le schede. Il set di strumenti comprende una calcolatrice dei resistori buck variabili, un configuratore della potenza della catena di segnali e un ambiente di sviluppo basato su Windows.
Conclusione
Il GaN è un materiale semiconduttore trasformativo utilizzato per produrre componenti ad alta densità di potenza, velocità di commutazione elevatissime ed efficienza energetica superiore. I progettisti possono sfruttare i gate driver FET GaN di ADI per creare sistemi più affidabili ed efficienti con un minor numero di componenti, ottenendo sistemi più piccoli con ingombri e peso ridotti.
