Dans les applications électriques, les appareils au nitrure de gallium (GaN) présentent des avantages significatifs en termes de performances et d'efficacité par rapport aux appareils MOSFET au silicium traditionnels.Les appareils au nitrure de gallium peuvent répondre aux besoins de diverses industriesMais pour certaines applications, ils devront faire face à des défis de conception importants.
Des chargeurs compacts USB-C aux chargeurs électroniques pour voitures, en passant par les applications solaires et les centres de données, les concepteurs sont impatients d'utiliser la technologie des semi-conducteurs GaN pour créer des chargeurs plus petits, plus légers,et de meilleurs produits de refroidissement.
Compte tenu de la vitesse de commutation rapide des dispositifs GaN, les concepteurs devront faire face à de multiples défis, y compris l'inductivité parasitaire, des exigences de contrôle de la porte plus précises, le courant de fuite de la porte,et chute de tension de la conduction inverse.
Un contrôleur GaN dédié est un choix idéal pour la conception de certaines applications basées sur GaN. Par exemple, Analog Devices, Inc. propose une gamme de contrôleurs de puissance GaN.Les concepteurs peuvent utiliser des pilotes GaN FET dédiés simples, comme le pilote GaN LT8418 à demi-pont de 100 V doté d'un commutateur de démarrage intelligent intégré (figure 1).
Figure 1: Le pilote GaN dédié LT8418 de l'ADI.
Cet appareil utilise un pilote de porte séparé pour contrôler avec précision le taux de déclenchement du GaN FET pendant les périodes d'allumage et d'arrêt, supprimant ainsi les sonneries et améliorant les performances EMI.L'appareil utilise également l'emballage de niveau de la puce de wafer (WLCSP) pour minimiser l'inductivité parasitaire.
En outre, des régulateurs plus complexes peuvent être choisis, tels que les régulateurs de commutation double buck DC/DC haute performance LTC7890 et LTC7891 (figure 2) pour GaN FET.
Figure 2: Contrôleur régulateur de commutation à courant continu ADI LTC7891 de haute performance adapté au GaN FET (Source d'image: Analog Devices, Inc.)
Contrairement aux solutions MOSFET au silicium, les dispositifs LTC7890/LTC7891 ne nécessitent pas de diodes de protection ou d'autres composants externes.La tension d'entraînement de ces dispositifs peut être réglée avec précision entre 4 V et 5 V..5 V pour optimiser les performances et prendre en charge l'utilisation d'autres FET GaN ou de MOSFET de niveau logique.
Quand le contrôleur de silicium est la seule option
Il n'existe actuellement pas de contrôleur GaN dédié pour les composants clés tels que les contrôleurs de boost à 4 commutateurs.Les ingénieurs peuvent être en mesure d'utiliser des contrôleurs conçus à l'origine pour les MOSFET pour piloter les GaN FETSi les contrôleurs pour dispositifs en silicium sont directement utilisés dans les applications GaN, une prudence particulière doit être exercée lors du choix des composants et de la conception des circuits imprimés,et d'autres circuits peuvent également être nécessaires.
Dans les convertisseurs à haute puissance, la tension de sortie des drivers de porte traditionnels est généralement supérieure à 5 V, généralement entre 7 V et 10 V, et parfois même supérieure.Il peut causer des problèmes car la tension nominale maximale de la porte de GaN FET est généralement de seulement 6VMême si cette limite est brièvement dépassée en raison de pics de tension ou de sonneries causées par une inductance errante sur le PCB, elle peut endommager définitivement le dispositif GaN.
Pour éviter ces problèmes, les concepteurs doivent choisir correctement le contrôleur et surveiller de près la disposition du PCB, en particulier autour de la porte et des chemins de retour de la source,afin de maintenir une faible inductance autant que possible et de réduire les dépassements de tension inutiles.
Beaucoup de pilotes MOSFET utilisent des pilotes de porte en silicium non réglementés, mais leur tension peut dériver au-dessus de la tension maximale absolue du GaN FET.la gestion de la tension d'entraînement de la porte doit être prise en considération, réguler l'alimentation de démarrage, et optimiser le temps mort.
Le dispositif de renforcement à 4 commutateurs doit utiliser un contrôleur de porte 5V pour éviter une surtension inattendue dans le GaN FET.Il est également important d'introduire des composants de protection tels que des circuits de pinceau ou des limitateurs de tension de la porte pour protéger la porte contre la surtension accidentelle.
En utilisant une diode Zener de 5,1 V en parallèle avec un condensateur bootstrap, le LT8390A d'ADI peut être utilisé comme contrôleur de porte de 5 V (figure 3).donc l'appareil est toujours dans la plage de fonctionnement sûrPour plus de protection, une résistance de 10 Ω peut être connectée en série avec un circuit de démarrage pour réduire tout phénomène de sonnage qui peut être causé par des nœuds de commutation très rapides à haute puissance.