I progetti AC/DC con transistor al Nitruro di Gallio (GaN) traggono beneficio dalla tecnologia iCoupler

Di Robbins Ren, Field Applications Engineer

Un elevato livello di efficienza negli alimentatori ac/dc è un fattore fondamentale per l’evoluzione delle infrastrutture telecom e datacom, a causa del rapido incremento dei consumi energetici dovuto al diffondersi di data center su vasta scala, server aziendali o centrali di commutazione. Tuttavia, l’industria dell’elettronica di potenza ha raggiunto i limiti teorici dei MOSFET al silicio. Nel frattempo sono comparsi sul mercato i più recenti transistor al Nitruro di Gallio (GaN), utilizzati come switch ad alte prestazioni, in grado di sostituire i MOSFET al silicio, offrendo un’efficienza più alta nella conversione energetica e permettendo una densità più elevata. Per sfruttare i vantaggi offerti dai transistor GaN, è necessario applicare nuovi criteri d’isolamento, con specifiche nuove.

I transistor GaN possono commutare molto più velocemente dei MOSFET al silicio e raggiungere perdite di commutazione più basse grazie a:

  • capacità di gate e di uscita inferiori.
  •  resistenza di “on” drain-source (RDS(ON)) più bassa, per un funzionamento a corrente più elevata e con minori perdite di conduzione.
  • carica di “reverse-recovery” (QRR) bassa o nulla, in quanto non vi è necessità del diodo di body.

I transistor GaN permettono di realizzare la maggior parte degli alimentatori ac/dc, sulla base di sezioni separate per la correzione del fattore di potenza (PFC) e per la conversione dc-dc: un front-end PFC di tipo “bridgeless” e il successivo convertitore risonante LLC (due induttori e un condensatore). Questa topologia si affida esclusivamente a circuiti di tipo “half-bridge” e “full-bridge”, come illustrato in Figura 1.
Con l’utilizzo di un “Digital Signal Processor” (DSP) come controllore principale, oltre ai transistor GaN utilizzati per sostituire i MOSFET al silicio, si rende necessario adottare una nuova tecnica di isolamento per far fronte alle più alte frequenze di commutazione. Quest’ultima riguarda prevalentemente i driver isolati per i GaN.

 

Figura 1. Tipico alimentatore ac/dc per applicazioni telecom e server.

Specifiche e Soluzioni per l’Isolamento

Isolamento della comunicazione UART
La sostituzione del sistema precedente, a controllo analogico, con altro basato su DSP, richiede l’isolamento dei segnali PWM (Pulse-Width Modulated) e di quelli supplementari di controllo. L’ADuM121 a doppio canale può essere utilizzato per la comunicazione UART tra i DSP. Per ridurre al minimo le dimensioni finali di sistema, necessarie a mantenere l’isolamento, nelle fasi di assemblaggio della scheda viene utilizzato un sigillante a resina epossidica. Dimensioni ridotte e alta densità di potenza sono fattori critici nell’evoluzione di un convertitore ac/dc. Si richiedono isolatori con un package dagli ingombri minimi.

Isolamento della sezione PFC
A differenza di quanto vale per un MOS, per il GaN i fattori quali ritardo/skew di propagazione, bias/clamp negativi e dimensioni del gate driver isolato sono critici. Per pilotare una sezione half-bridge o full-bridge con transistor GaN, per lo stadio PFC può essere utilizzato il driver a singolo canale ADuM3123, quello a due canali ADuM4223 per il circuito LLC.

Alimentazione dei dispositivi oltre la barriera di isolamento
Basato sulla tecnologia isoPower® di ADI, progettata per trasferire l’alimentazione attraverso la barriera di isolamento, l’ADuM5020 è una soluzione integrata compatta in grado di abbinare l’alimentazione ausiliaria dei transistor GaN a quella del gate

 

Requisiti d’isolamento
Per sfruttare appieno i vantaggi di un transistor GaN, i requisiti richiesti per i gate driver isolati sono:

  • massima tensione di gate consentita <7 V
  • dv/dt al nodo di commutazione >100 kV/ms, CMTI da 100 kV/µs a 200 kV/µs
  • ritardo di commutazione High-low con match ≤50 ns con tensione applicata di 650 V
  • clamp di tensione negativo (–3 V) per il “turn-off”

Per pilotare un transistor in configurazione half-bridge, sia in high-side che in low-side, esistono molte soluzioni. Uno dei miti da sfatare sui driver tradizionali ad alta tensione, di tipo level-shifted, è che l’implementazione più semplice a singolo chip venga utilizzata ampiamente soltanto per i MOSFET al silicio. Nei progetti compatti, in alcuni prodotti di fascia alta (negli alimentatori per server, ad esempio), il driver isolato a due canali ADuM4223 viene utilizzato per pilotare un MOS. Tuttavia, passando ai GaN, la soluzione a traslazione di livello (level-shift) presenta alcuni svantaggi, come ritardo di propagazione molto alto e immunità ai transienti di modo comune (CMTI) limitata; inoltre non risulta ottimale per frequenze di commutazione elevate. In confronto alle versioni a canale singolo, il driver isolato a due canali manca di flessibilità sul layout. Allo stesso tempo presenta difficoltà di configurazione del circuito per il bias negativo. La Tabella 1 illustra un confronto tra questi metodi.

Tabella 1. Confronto tra diversi metodi di pilotaggio “Half Bridge” di un transistor GaN

 

Figura 2. Tipica architettura di isolamento, con isolamento dell’UART e impiego della tecnologia isoPower per le sezioni PFC e DC/DC.

I driver a singolo canale sono già in grado di pilotare i transistor GaN. Un driver tipico a singolo canale è rappresentato dall’ADuM3123 che, come illustrato in Figura 3, utilizza l’alimentazione esterna fornita da diodi Zener e circuiti a componenti discreti per il bias negativo (opzionale).

 

Il nuovo trend: moduli GaN isolati, custom
Ad oggi, i dispositivi GaN vengono solitamente realizzati in package separati rispetto ai relativi driver. Ciò è dovuto alle differenze tra i processi produttivi degli switch GaN e dei driver isolati. Nel futuro, l’integrazione nel medesimo package dei transistor GaN e della barriera di isolamento per i driver, ridurrà le induttanze parassite migliorando ulteriormente le prestazioni di switching. Alcuni tra i più importanti venditori di componenti telecom prevedono di realizzare package proprietari di sistemi GaN, sotto forma di moduli custom. Sul lungo periodo, i driver per sistemi GaN renderanno possibile la loro installazione all’interno di moduli isolanti di dimensioni più ridotte. A conferma di questo trend, l’ADuM110N (ritardo di propagazione basso, frequenza elevata) e l’isoPower ADuM5020, con la sua notevole semplicità di progetto, sono esempi di driver a singolo canale dalle dimensioni contenute, come illustrato in Figura 4.

Figura 3. Panoramica applicativa per un driver monocanale isolato isoCoupler basato su transistor GaN.
Figura 4. L’ADuM110N con tecnologia iCoupler e l’isoPower ADuM5020 sono un buon abbinamento per il mudulo GaN Navitas.

 

Conclusioni
I transistor GaN, con dimensioni più contenute, resistenza di “on” inferiore e frequenza di lavoro più elevata, offrono molti vantaggi rispetto ai tradizionali MOSFET al silicio. L’adozione della tecnologia GaN potrebbe ridurre la dimensione complessiva senza compromettere l’efficienza. I dispositivi GaN hanno grandi prospettive, specialmente nell’alimentazione a media e alta tensione. La tecnologia iCoupler® di ADI porta notevolissimi vantaggi nel pilotaggio di switch e transistor basati su GaN.

 

Riferimenti
Alain Bismuth. “The Coming Hardware Revolution in Data Center Energy Efficiency.” GaN Systems, Inc., Aprile 2020.
EiceDRIVER 1EDF5673K and 1EDS5663H.” Infineon Technologies AG, Maggio 2018.
GN001 Application Brief: How to Drive GaN Enhancement Mode HEMT.” GaN Systems, Inc., Aprile 2016.
Stephen Oliver. “GaN Power ICs: Integration Drives Performance.” Bodo’s Power Conference, Monaco. Navitas, Dicembre 2017.

 

 

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