Los HEMT de GaN están liderando el camino para abrir nuevas posibilidades y reemplazar los sistemas basados en Si en una variedad de aplicaciones de conversión y suministro de energía. Este artículo describe algunas de las características principales de los HEMT más accesibles y algunas ventajas y desventajas asociadas con ellos.
Los dos enfoques más utilizados para los HEMT de GaN para aplicaciones de energía son:
- e-mode: aquí el dispositivo se puede formar con una puerta p-GaN Schottky y el Vt puede estar alrededor de 1.7V. Los ejemplos de este enfoque incluyen dispositivos ofrecidos por GaN Systems, GaN Power International e Innoscience, solo por nombrar algunos. Una excepción notable al Vt relativamente bajo de los dispositivos de modo electrónico son los productos de Cambridge GaN Devices, que ofrecen dispositivos de modo electrónico por encima de 2 V a través de varios enfoques de diseño innovadores.
- Un enfoque de cascodo en el que los MOSFET de LV Si se colocan esencialmente en serie para crear una unidad de compuerta. Se puede lograr un Vt más alto y Transphorm, Nexperia, etc. brindan algunos ejemplos de esto.
Los dispositivos en modo E aprovechan algunas de las ventajas inherentes de los HEMT de GaN, como la ausencia de pérdidas de recuperación inversa debido a que no hay uniones pn de drenaje/fuente, y parásitos simples/bajos debido a la falta de dispositivos adicionales que tienen la ventaja de poder serie. Sin embargo, uno de sus principales inconvenientes es su bajo margen de excitación de puerta y su bajo Vth lo hace susceptible al ruido de puerta.
El enfoque de cascode resuelve el pobre margen de puerta del modo electrónico y proporciona una puerta más robusta. Sin embargo, esto puede resultar en mayores pérdidas de conmutación debido a la recuperación inversa (Qrr) de Si FET. Los enfoques para mitigar esto se discutirán más adelante.
Estos son algunos ejemplos importantes de rendimiento de aplicaciones: Compare los dos enfoques de dispositivos anteriores.
A. Características de conmutación dura/suave de GaN HEMT
Conmutación dura (HS): Los ejemplos incluyen convertidores reductores/elevadores síncronos y convertidores de CA/CC Totempole PFC de modo de conducción continua. Tanto las pérdidas por conducción como por conmutación afectan la eficiencia general. En la conmutación dura, las pérdidas de encendido dominan debido a la recuperación inversa y la carga de capacitancia de unión. Las pérdidas de carga/descarga del nodo de conmutación de capacitancia de la puerta de entrada también juegan un papel importante a altas frecuencias. Los altos dI/dt y dV/dt del HS de alta frecuencia también imponen requisitos de conmutación dura del tercer cuadrante en el dispositivo, lo que puede ser otro componente de pérdida. Dentro de esta región de HS, los dispositivos de modo electrónico tienen menos pérdidas potenciales debido a la ausencia de un diodo de cuerpo y la falta de Qrr. Sin embargo, un factor a considerar es el bajo Vth de la mayoría de los dispositivos de modo electrónico. Estos dispositivos son propensos a respuestas oscilatorias en HS de alta frecuencia y pueden requerir una polarización de puerta negativa para apagar completamente el dispositivo. Esto puede agregar una complejidad significativa al circuito del controlador de puerta.
Un dispositivo cascode con un Vth más alto proporcionará un margen de Vgs más grande y posiblemente una unidad de compuerta unipolar más simple que no requiera un voltaje de apagado negativo. Un inconveniente potencial es el Qrr más alto debido a la presencia del MOSFET de Si. Los dispositivos Texas Instruments (TI) LMG352xR030-Q1 ofrecen esa solución. Cuenta con un controlador de compuerta integrado de Si con un GaN HEMT que impulsa el voltaje de la compuerta del GaN HEMT negativo para apagarlo en un evento de apagado. Mantiene activado el FET de Si con casco para evitar pérdidas inversas en el dispositivo de Si. Los dispositivos en cascada también pueden imponer restricciones de diseño en el convertidor HS sobre el máximo dI/dt inverso en la transición de apagado. [1]Esto es de la puerta del GaN HEMT donde el alto voltaje positivo proviene de la recuperación del diodo del cuerpo en el cascode Si MOSFET. Esto reduce la transconductancia de los dispositivos de GaN y puede generar mayores pérdidas cuando se operan por encima de su dI/dt nominal.
Como se explica a continuación, el componente de pérdida de tiempo muerto del convertidor también puede desempeñar un papel importante si se desea un Vgs negativo en el estado apagado. Dado que el HEMT de GaN es un canal n lateral sin cuerpo p, la operación inversa del tercer cuadrante es esencialmente un HEMT que opera en la dirección opuesta. Sin embargo, esto depende del estado del terminal de puerta durante este tiempo, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1: Vsd en función de Vg fuera de estado
Estos Vg adicionales aumentarán el Vsd efectivo si se requiere un Vgs negativo para garantizar un apagado completo, como en algunos dispositivos de modo electrónico. Por el contrario, si se puede aplicar un Vgs positivo durante la operación del tercer cuadrante, el Vsd efectivo caerá. Pérdida de tiempo muerto del convertidor Pdt ~ Vsd X Tdt (Tdt es tiempo muerto). En comparación con los MOSFET de Si con Vsd < 1 V, el Vsd de GaN puede ser mucho mayor, especialmente para los HEMT en modo electrónico. Una solución implementada en el chip LMG352xR030-Q1 de TI, llamada modo de diodo ideal, utiliza una compuerta adaptativa para encender el FET de GaN cuando se detecta un Vds negativo, lo que hace que la curva se desplace hacia la derecha, como se muestra en la Figura 1. tiempo. pérdida. Un MOSFET de Si con estructura de cascodo proporciona un diodo de rueda libre con un voltaje de encendido más bajo, lo que resulta en un Vsd neto más bajo en comparación con los dispositivos de modo electrónico. Esto es útil para la rectificación síncrona, como los accionamientos de motor.
Conmutación suave (SS): Ejemplos de estos son: Interruptor de voltaje cero (ZVS) Como un circuito auxiliar LLC que inyecta un pulso resonante que reduce el voltaje a través del interruptor que debe encenderse a cero, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2: La conmutación suave ZVS reduce las pérdidas de encendido
Por lo tanto, las pérdidas de encendido se minimizan. Las pérdidas de conducción pueden dominar la topología SS ya que se minimizan las pérdidas de conmutación. La baja carga de salida (Coss) de los dispositivos HEMT también es importante. Esto reduce la corriente de magnetización máxima. Un análisis fue realizado por Sojka et al. [2] Comparamos el HS y el SS del Transphorm TPH3205WSB cascode HEMT y llegamos a la conclusión de que se prefiere el ZVS cuando la eficiencia es el objetivo principal, y el SS funciona mejor, especialmente a altas frecuencias de conmutación. Böcker et al también demostraron que la degradación dinámica de Rdson puede contribuir a la pérdida de HS y que SS se beneficia de este aspecto. [3].
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Nota: actualice al autor como Sonu Daryanani