El nitruro de galio (GaN) es un tema candente en la industria de la electrónica de potencia, ya que permite diseños altamente eficientes para aplicaciones como fuentes de alimentación de telecomunicaciones. Recarga de vehículos eléctricos. calefacción, ventilación y aire acondicionado, electrodomésticos; y un adaptador de corriente de consumo. En aplicaciones industriales, el nitruro de galio reemplaza a los transistores de efecto de campo semiconductores (MOSFET) tradicionales de óxido de metal de silicio en la corrección del factor de potencia (PFC) del tótem con densidades de potencia más altas y eficiencias de hasta el 99%. Sin embargo, debido a las propiedades eléctricas de GaN y el rendimiento que ofrece, el diseño con GaN presenta un conjunto diferente de desafíos que otras tecnologías de banda prohibida amplia, como el silicio y el carburo de silicio.
Tabla de contenido
GaN frente a SiC
Aunque existe cierta superposición en los niveles de potencia que ofrecen GaN y SiC, el nitruro de galio tiene propiedades fundamentales que lo hacen adecuado para aplicaciones donde la alta densidad de potencia es crítica. En estas aplicaciones, los dispositivos de nitruro de galio pueden lograr frecuencias de conmutación de >150 kHz para topologías PFC y >1 MHz para convertidores de potencia CC/CC, lo que reduce significativamente el tamaño del magnetismo en el sistema. La tecnología GaN ayuda a lograr densidades de energía más altas a costos más bajos al permitir velocidades de conmutación más altas que las de SiC. La Figura 1 a continuación muestra una comparación de diferentes tecnologías en función de sus capacidades de potencia y frecuencia operativa.
Figura 1: Comparación de diferentes tecnologías en función de las capacidades de potencia y frecuencia operativa
Uso de FET de GaN para aplicaciones industriales
Cada interruptor de alimentación de nitruro de galio debe emparejarse con un controlador de compuerta adecuado. De lo contrario, puede obtener humo crepitante al realizar pruebas en el banco. Debido a que los dispositivos de nitruro de galio son transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) en lugar de los MOSFET clásicos, pueden tener puertas especialmente sensibles. Una sección transversal HEMT que se muestra en la Figura 2 se asemeja a un MOSFET. Sin embargo, la corriente no fluye a través de todo el sustrato oa través de la capa amortiguadora, sino a través de la capa de gas de electrones bidimensional.
Figura 2: Sección transversal de la estructura lateral del FET de GaN
La activación incorrecta de los FET de GaN provoca la ruptura de las capas dieléctricas, las barreras y otros elementos estructurales. Ese estado del sistema no solo puede hacer que el dispositivo falle, sino que también puede dañarlo permanentemente. Este nivel de sensibilidad requiere la consideración de diferentes tipos de dispositivos de nitruro de galio y sus amplias necesidades. Los HEMT tampoco tienen estructuras FET dopadas convencionales que forman una unión pn que genera diodos en el cuerpo. Esto significa que no hay diodos internos que puedan fallar o provocar un comportamiento no deseado durante el funcionamiento, como la recuperación inversa.
Consideraciones sobre el suministro de polarización y el controlador de compuerta
Los FET de GaN en modo mejorado (e-mode) son muy similares a los ya familiares FET de silicio en modo e. Un voltaje positivo entre 1,5 V y 1,8 V comienza a encender el FET. La mayoría de las condiciones de funcionamiento se especifican para un funcionamiento con umbral de compuerta de 6 V. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos de GaN en modo electrónico tienen un umbral máximo de compuerta de 7 V, por lo que su incumplimiento puede causar daños permanentes.
Cuando los controladores de puerta de silicio tradicionales no proporcionan una regulación de voltaje adecuada, o cuando los diseños basados en GaN no pueden manejar una inmunidad transitoria de modo común alta, muchos diseñadores eligen controladores de puerta diseñados específicamente para FET de GaN, como Texas Instruments (TI) LMG1210. El LMG1210 proporciona un voltaje de accionamiento de compuerta de 5 V independientemente del voltaje de suministro. Los controladores de puerta convencionales requieren una regulación muy estricta del suministro de polarización del controlador de puerta para evitar sobrecargar los FET de GaN. El FET de GaN en cascodo que se muestra en la Figura 3 sacrifica la facilidad de uso en comparación con el FET de GaN en modo electrónico.
Figura 3: Símbolos para FET de GaN en modo e y modo d en cascodo.
Los FET de GaN son dispositivos de modo de agotamiento (modo d). Es decir, normalmente está encendido y requiere un umbral de puerta negativo para apagar el dispositivo. Esto es tan problemático para los interruptores de potencia que la mayoría de los fabricantes agregan un FET de silicio de 30 V en serie con un FET de GaN y lo venden como un solo paquete. La puerta del FET de GaN está conectada a la fuente del FET de silicio, y los pulsos de puerta de encendido y apagado se aplican a la puerta del FET de silicio.
El uso de un controlador de compuerta aislado tradicional como el UCC5350 de TI para controlar los FET de silicio elimina muchas preocupaciones sobre el suministro de polarización y el controlador de compuerta. El mayor inconveniente de los FET de GaN en cascodo es la presencia de un diodo de cuerpo, lo que hace que los FET tengan una alta capacitancia de salida y sean propensos a la recuperación inversa. La capacitancia de salida del FET de silicio se agrega a la capacitancia de salida del FET de GaN, lo que resulta en un aumento del 20 %. Esto se traduce en un aumento de más del 20 % en las pérdidas por conmutación en comparación con otras soluciones de nitruro de galio. Durante la conducción inversa, el diodo del cuerpo del FET de silicio conduce la corriente y la recuperación inversa cuando se invierte la polaridad del voltaje.
Los FET de GaN de Cascode funcionan a velocidades de cambio de 70 V/ns (en comparación con los 150 V/ns de otras soluciones de nitruro de galio) para evitar la ruptura por avalancha de los FET de silicio y aumentar las pérdidas por superposición de conmutación. Los FET Cascode GaN son simples de diseñar, pero limitan el rendimiento alcanzable.
Referencias
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