Los convertidores de potencia tienden a tener mayor potencia de salida, eficiencia, densidad de potencia, temperatura de funcionamiento y confiabilidad, al tiempo que ofrecen a los diseñadores soluciones más simples. DrGaNPLUS, que se muestra en la Figura 1, demuestra las capacidades de alta densidad de potencia de los FET eGaN en un bloque de construcción fácil de usar. El diseño de medio puente optimizado, que ocupa solo el 30 % de una moneda de diez centavos, se desarrolló en una placa de circuito impreso (PCB) de 4 capas de 9,15 mm x 9,15 mm con 6 almohadillas de montaje para reemplazar el convertidor You can connect to existente.
Las columnas anteriores de esta serie han discutido las ventajas de los transistores de efecto de campo de nitrato de galio eGaN® FET, su potencial para mejorar el rendimiento en diversas aplicaciones y las técnicas para maximizar el rendimiento de los transistores de nitrato de galio (GaN). Este artículo presenta un módulo eGaN FET diseñado para permitir que los diseñadores de sistemas de conversión de energía evalúen fácilmente el rendimiento excepcional de los transistores de nitruro de galio.
Diseño simplificado
Los convertidores de potencia tienden a tener mayor potencia de salida, eficiencia, densidad de potencia, temperatura de funcionamiento y confiabilidad, al tiempo que ofrecen a los diseñadores soluciones más simples. DrGaNPLUS, que se muestra en la Figura 1, demuestra las capacidades de alta densidad de potencia de los FET eGaN en un bloque de construcción fácil de usar. El diseño de medio puente optimizado, que ocupa solo el 30 % de una moneda de diez centavos, se desarrolló en una placa de circuito impreso (PCB) de 4 capas de 9,15 mm x 9,15 mm con 6 almohadillas de montaje para reemplazar el convertidor You can connect to existente.
El diagrama de bloques del diseño de circuito de medio puente que se muestra en la Figura 2 consta de dos FET eGaN, un circuito integrado (IC) de controlador, lógica de modulación de ancho de pulso (PWM), ajuste de tiempo muerto y un capacitor de entrada de alta frecuencia. El diseño y la disposición de estos componentes son fundamentales para aprovechar al máximo el rendimiento de alta velocidad de la tecnología eGaN FET. Los circuitos de accionamiento de compuerta DrGaNPLUS garantizan que se cumplan los requisitos de accionamiento de compuerta eGaN FET y ofrecen un rendimiento optimizado con la última tecnología IC de controlador de GaN. Los circuitos de ajuste lógico y de tiempo muerto permiten a los diseñadores ingresar una sola señal PWM y obtener un tiempo muerto optimizado para maximizar el rendimiento. Los condensadores de entrada de alta frecuencia incorporados se colocan con dos FET eGaN en un diseño de PCB optimizado para minimizar la inductancia de fuente común (LS) y la inductancia de bucle de conmutación de energía de alta frecuencia, lo que reduce las pérdidas de conmutación y reduce el exceso de voltaje. DrGaNPLUS elimina la complejidad y brinda a los diseñadores una solución optimizada y fácil de usar con solo 6 almohadillas para conectar a la PCB, como se muestra en el lado derecho de la Figura 1. DrGaNPLUS ofrece una alta eficiencia con una densidad de potencia inigualable. Siguiente sección.
Eficiencia incrementada
La forma más sencilla de mejorar la densidad de potencia es aumentar la frecuencia de conmutación y reducir el volumen de los componentes pasivos. El problema real con el aumento de la frecuencia de conmutación es la reducción de la eficiencia debido al aumento de las pérdidas, lo que limita las soluciones actuales basadas en silicio al rango de cientos de kilohercios. Para mejorar el rendimiento de los convertidores de alta frecuencia, se han realizado muchos esfuerzos para mejorar las características y el empaque del dispositivo. Para mejorar el rendimiento del dispositivo, se redujeron los parámetros relacionados con la conmutación de carga de compuerta a drenaje (QGD), carga de conmutación de compuerta a fuente (QGS2) y carga de compuerta de conmutación superior (QG). Además, la adición de un diodo Schottky interno mejora la recuperación inversa (QRR) del diodo del cuerpo y el voltaje directo (VDF) del rectificador síncrono. Las técnicas de empaquetado avanzadas también reducen la inductancia parásita y mejoran el rendimiento. Durante la última década, las mejoras en el rendimiento de los dispositivos basados en silicio se han ralentizado a medida que la tecnología alcanzaba sus límites teóricos, y las mejoras del paquete se han visto limitadas por la estructura de trinchera inherente a los altos voltajes. Aquí es donde entran los transistores de GaN.
Los primeros dispositivos de potencia de GaN en silicio en modo de mejora disponibles comercialmente tienen el potencial de ser excelentes reemplazos para los transistores de efecto de campo (MOSFET) de semiconductores de óxido de metal de potencia envejecidos. Los FET eGaN ofrecen una figura de mérito (FOM) más baja y parásitos de paquete más bajos, combinados con un diseño de placa de circuito impreso (PCB) parásito más bajo, brindan ventajas de rendimiento significativas sobre la tecnología de silicio (Si) de última generación. La Figura 3 muestra una comparación de formas de onda de conmutación para FET de eGaN y MOSFET de Si. Con una resistencia de encendido (RDS(on)) mucho más baja, los dispositivos de GaN permiten velocidades de conmutación más rápidas con un sobreimpulso de voltaje más bajo. Esto permite a los diseñadores de circuitos reducir tanto las pérdidas de conmutación dinámicas como las pérdidas de conducción estáticas, mejorando la eficiencia del convertidor. Al comparar la eficiencia de la solución DrGaNPLUS que usa FET eGaN a 100 voltios (V) con la solución basada en Si que usa transistores de 80 V que funcionan a 300 kHz, la pérdida de potencia a plena carga del sistema es casi cero, como se muestra en la Figura 4.40 % menos. Las pérdidas de conmutación dinámicas bajas que ofrecen los FET eGaN permiten frecuencias de conmutación y densidades de potencia del sistema más altas sin sacrificar el rendimiento. Un diseño basado en FET eGaN de 500 kHz reduce la pérdida de potencia a plena carga en aproximadamente un 25 % en comparación con un diseño basado en silicio de 300 kHz.
resumen
La introducción de dispositivos GaN de alto rendimiento ofrece la posibilidad de conmutar a frecuencias y eficiencias más altas que la tecnología MOSFET de Si tradicional. El bloque de construcción DrGaNPLUS basado en eGaN FET desbloquea la capacidad de simplificar la conversión de energía de alta densidad y alta eficiencia al proporcionar a los diseñadores una manera fácil de usar para evaluar el rendimiento superior de los transistores de nitruro de galio.
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