Semplificazione della conversione di potenza GaN con i controller ADI

Le applicazioni dei convertitori di potenza che utilizzano transistor a effetto campo (FET) al nitruro di gallio (GaN) offrono miglioramenti significativi in termini di efficienza e densità di potenza rispetto ai FET al silicio, ma introducono anche nuove considerazioni di progettazione. Le capacità di commutazione rapida dei dispositivi GaN amplificano anche i piccoli errori di temporizzazione o disallineamenti di tensione, cosa che può avere un impatto sulle prestazioni e sull'affidabilità.

Gli eventi di commutazione GaN possono verificarsi a velocità che superano le capacità dei metodi di controllo e degli strumenti di misurazione tradizionali. I progettisti devono mantenere uno stretto controllo della tensione di gate, tipicamente entro un intervallo ristretto di circa +6 V ~ -4 V, gestendo al contempo le transizioni di tensione con velocità di variazione superiori a 30 V/ns.

I FET GaN presentano intrinsecamente una perdita di potenza minore rispetto alle controparti in silicio. Ad esempio, un convertitore step-down da 12 V che utilizza FET GaN da 100 V e funziona a 500 kHz può raggiungere un'efficienza del 97%. Ciò equivale a una perdita di potenza del 40% circa in meno (con un guadagno di efficienza complessivo del 2%) rispetto all'utilizzo di FET al silicio da 100 V.

Un'applicazione chiave per gli stadi di potenza basati su GaN è la conversione c.c./c.c. ad alta efficienza in sistemi come i progetti punti di carico (PoL) da 48 V a 12 V. Le soluzioni basate su GaN possono raggiungere frequenze di commutazione significativamente più elevate mantenendo un'alta efficienza, spesso nell'intervallo di 500 kHz e oltre, consentendo ai progettisti di aumentare la densità di potenza e ridurre gli ingombri delle soluzioni.

Per ottenere questi vantaggi però non basta semplicemente cambiare dispositivo dal silicio al GaN. La bassa carica del gate e i fronti di commutazione estremamente rapidi che aumentano le prestazioni rendono anche l'applicazione più sensibile alla precisione del pilotaggio del gate, alla temporizzazione e alle correnti parassite del layout. Senza un controllo accurato, problemi quali la sovraelongazione, la sovraoscillazione e le interferenze elettromagnetiche (EMI) possono erodere rapidamente i guadagni di efficienza.

Molti controller tradizionali e apparecchiature di test standard faticano a tenere il passo con le sfide della conversione di potenza GaN, rendendo più difficile garantire un funzionamento affidabile e misurare accuratamente le prestazioni nei progetti del mondo reale. In alcuni casi, i progettisti possono trovarsi a "inseguire i fantasmi" nel tentativo di distinguere il vero comportamento del gate dall'elevato rumore di commutazione delta tensione/delta tempo (dV/dt).

In molti progetti GaN, i controller richiedono componenti aggiuntivi per garantire un funzionamento affidabile, compresi i circuiti per limitare la tensione di gate, controllare la temporizzazione di commutazione e ridurre il rumore e la sovraoscillazione. Analog Devices, Inc. (ADI) offre una famiglia di controller di potenza GaN con funzioni integrate per soddisfare questi requisiti e semplificare i progetti complessivi.

Controller ottimizzati con GaN

La transizione verso progetti basati su GaN non consiste tanto nel reinventare la conversione di potenza quanto nel perfezionare i dettagli dell'implementazione, soprattutto per quanto riguarda il layout, il controllo dei gate e la misurazione.

I gate driver progettati specificamente per GaN spesso offrono un controllo più stretto sui tempi di salita e discesa, una migliore immunità al rumore e un allineamento di temporizzazione più preciso. Inoltre, le tecniche di layout, come la riduzione al minimo dell'area dell'anello e la gestione accurata dei percorsi di ritorno, diventano sempre più critiche per ottenere i guadagni di efficienza previsti.

I regolatori a commutazione c.c./c.c. ad alte prestazioni di ADI condividono un'architettura comune incentrata sul controllo preciso del pilotaggio del gate, sulla gestione regolata del bootstrap e sulla protezione dalle condizioni di sovratensione del gate. Il controllo integrato dei tempi di fermo consente di ridurre al minimo il rischio di shoot-through, riducendo al contempo la necessità di componenti aggiuntivi esterni per il pilotaggio del gate.

I componenti della famiglia LTC789x si distinguono tra loro principalmente per la topologia (buck o boost) e per il numero di canali (singolo o doppio), offrendo flessibilità per la selezione dell'architettura di alimentazione a livello di sistema:

• LTC7890 è un controller buck (step-down) a canale doppio da 100 V progettato per applicazioni di conversione di potenza multirail o multifase. Consente ai progettisti di controllare due stadi buck indipendenti o di farli funzionare in parallelo per ottenere una corrente di uscita più elevata.
• LTC7891 (Figura 1) è un controller buck (step-down) sincrono da 100 V progettato per applicazioni di conversione di potenza a uscita singola, quali core o rail punto di carico ad alta corrente. È ottimizzato per progetti step-down semplici a stadio singolo in cui l'accuratezza e l'efficienza della regolazione sono requisiti primari.

Figura 1: Il controller LTC7891 di ADI con un commutatore bootstrap intelligente interno. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

• LTC7892 (Figura 2) è un controller boost (step-up) a canale doppio da 100 V destinato ad architetture di alimentazione step-up flessibili o multirail. Supporta due stadi boost indipendenti, consentendo di realizzare progetti compatti di conversione di potenza di sistema o multiuscita in cui è necessario elevare la tensione su più rail.

Figura 2: La tensione di pilotaggio del gate del controller LTC7892 di ADI può essere regolata con precisione da 4 V a 5,5 V per ottimizzare le prestazioni e consentire l'uso di diversi FET GaN. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

• LTC7893 è un controller boost (step-up) da 100 V destinato ad applicazioni di generazione del bus intermedio e front-end ad alta tensione a canale singolo. È adatto a progetti che richiedono un singolo stadio di boost ad alta potenza piuttosto che uscite multiple.

Dal punto di vista del sistema, la funzione di base di un convertitore c.c./c.c. rimane la stessa: convertire una tensione c.c. in un'altra. Tuttavia, i dispositivi GaN spostano l'attenzione della progettazione verso i dettagli di implementazione, quali temporizzazione, layout e controllo delle correnti parassite.

Integrazione delle funzionalità chiave

I dispositivi GaN consentono di operare a frequenze di commutazione più elevate rispetto ai FET al silicio. Le frequenze più elevate consentono di utilizzare induttori più piccoli e, in molti casi, capacità di uscita inferiori, aumentando la densità di potenza e riducendo le dimensioni complessive della soluzione. Il rovescio della medaglia è che l'induttanza parassita tollerabile alle frequenze più basse può ora contribuire a sovraoscillazione, sovraelongazione ed EMI.

Queste sfide si estendono sia al controllo che alla convalida. Per rimanere nella stretta finestra operativa dei dispositivi GaN è necessaria una precisa regolazione della tensione di gate, mentre il comportamento di commutazione ad alto dv/dt può rendere difficile la misurazione accurata dei segnali high-side con le tecniche di sondaggio convenzionali. Di conseguenza, sia l'implementazione del circuito che la metodologia di test devono essere adattate alla velocità del dispositivo.

Invece di massimizzare la velocità di commutazione, i progettisti si concentrano sempre più sul controllo meticoloso della stessa. Con i FET al silicio tradizionali, i progettisti spesso migliorano l'efficienza utilizzando un pilotaggio del gate più forte per accendere e spegnere il dispositivo il più velocemente possibile. Le transizioni più veloci riducono le perdite di commutazione e il rumore che ne deriva è solitamente gestibile.

I dispositivi GaN sono già in grado di effettuare commutazioni estremamente veloci e spingerli ulteriormente con un pilotaggio aggressivo del gate può introdurre nuove sfide. Le rapide transizioni di tensione possono eccitare elementi parassiti all'interno del circuito, causando sovraoscillazione ed EMI.

Un tipico FET GaN da 100 V viene pilotato a circa 5 V, con un intervallo di sicurezza compreso approssimativamente tra +6 V e -4 V. Per rimanere all'interno di questa finestra è necessaria un'alimentazione di gate ben regolata e un attento controllo della sovraelongazione e della sottoelongazione di commutazione.

Questo è semplice per il FET low-side, per il quale è solitamente sufficiente un'alimentazione stabile a 5 V. Il FET high-side è più impegnativo. I circuiti di bootstrap tradizionali possono innalzare involontariamente la tensione di gate oltre i limiti di sicurezza a causa del comportamento di conduzione inversa del GaN. A differenza dei dispositivi al silicio, che hanno un body diode di ~0,7 V, il GaN può presentare una caduta effettiva compresa tra 2 V e 3 V, aumentando la tensione sul condensatore bootstrap e potenzialmente sovraccaricando il gate.

In un convertitore buck basato su GaN, la tensione di gate high-side può facilmente superare i limiti di sicurezza se la commutazione non è controllata. Ad esempio, senza un piccolo resistore di gate in serie, la tensione di gate-source può salire oltre il valore massimo di +6 V. L'aggiunta di un resistore modesto (es. ~2 Ω) contribuisce a ridurre questa tensione e ad attenuare la sovraoscillazione sia sul gate che sul nodo di commutazione.

Misurazione dei segnali dei gate GaN

La misurazione accurata dei segnali del gate rappresenta una sfida per i progetti basati su GaN. Mentre le sonde per oscilloscopi standard sono in grado di catturare i segnali riferiti a terra come il gate low-side e il nodo di commutazione, il gate high-side è molto più difficile da osservare. Il suo nodo sorgente oscilla rapidamente tra V_IN e terra, con fronti molto veloci (oltre 30 V/ns) e oscillazioni ad alta frequenza.

Queste condizioni superano i limiti pratici di molte sonde differenziali convenzionali. Di conseguenza, i progettisti si affidano spesso a strumenti specializzati come le sonde a isolamento ottico, che forniscono l'alta reiezione di modo comune e la larghezza di banda necessarie per catturare con precisione le forme d'onda dei gate GaN high-side. I risultati devono essere convalidati rispetto ai dati di riferimento del produttore per garantire una caratterizzazione precisa delle prestazioni.

Un layout inadeguato può ridurre o addirittura annullare i vantaggi della conversione di potenza basata su GaN. Lunghi circuiti di corrente, condensatori di ingresso mal posizionati e un'eccessiva induttanza delle tracce del gate possono introdurre perdite e rumore che annullano i vantaggi di una commutazione più rapida. Dal punto di vista della progettazione, le prestazioni non sono più limitate dal dispositivo stesso, ma dalla capacità del sistema di controllare le correnti parassite e la temporizzazione.

I controller di ADI semplificano il funzionamento high-side regolando la tensione di bootstrap per evitare le condizioni di sovratensione spesso riscontrate nelle implementazioni discrete. Ciò riduce la necessità di componenti di clamping esterni e contribuisce a mantenere stabili le condizioni di pilotaggio del gate in diversi stati operativi.

Conclusione

Invece di affidarsi a più componenti di supporto esterni, i controller LTC789x di ADI integrano le funzioni chiave necessarie per un funzionamento affidabile della conversione di potenza basata su GaN. Tramite il rigido controllo della tensione e della temporizzazione di pilotaggio del gate, i dispositivi contribuiscono a garantire il funzionamento dei FET GaN entro i limiti di sicurezza anche durante eventi di commutazione ad alto dv/dt. Il controllo incorporato dei tempi di fermo e delle transizioni di commutazione migliora l'affidabilità e previene la perdita di efficienza, anche quando si opera ad alte frequenze di commutazione. Piuttosto che gestire le complessità di basso livello del comportamento del pilotaggio dei gate GaN, i progettisti possono concentrarsi maggiormente sull'ottimizzazione delle prestazioni a livello di sistema, come il layout, la progettazione termica e la densità di potenza.