Il mondo dell’elettronica di potenza ha iniziato ad apprezzare i vantaggi del nitruro di gallio (GaN) mostrando molto interesse. Nella stampa di settore, nelle fiere e alle conferenze, imperversano le discussioni sugli aumenti di efficienza e potenza che possono essere ottenuti passando dai MOSFET in silicio alle soluzioni GaN.
Le aspettative di crescita degli analisti variano, ma quasi tutti prevedono almeno un CAGR del 24% per il 2027 con crescite più significative in alcuni mercati chiave come l’industriale, il consumer, le telecomunicazioni e l’automotive. Attualmente, oltre alla diffusa disponibilità di dispositivi HEMT GaN discreti, stiamo assistendo anche all’emergere di soluzioni GaN integrate proposte dai principali produttori di dispositivi in tecnologia GaN. Questi nuovi dispositivi possono potenzialmente offrire prestazioni che vanno oltre ai vantaggi intrinseci del GaN.
Va comunque considerato che la soluzione integrata non è universalmente valida; infatti a seconda di come è organizzato il progetto del circuito potrebbe essere preferibile utilizzare un interruttore GaN discreto ad alta efficienza. Ciò è particolarmente vero se è richiesto un driver specifico, o se il driver è già incluso nel controller, o per livelli di potenza superiori, ad esempio 1kW, poiché alcune soluzioni integrate non possono ancora essere messe in parallelo. Per tutte queste tipologie di applicazioni e altre che richiedono la massima flessibilità di progettazione, produttori come il partner di CODICO INNOSCIENCE offrono un’ampia gamma di parti discrete che vanno da 30V a 700V con varie Rdson.
Ma in molti altri casi, una soluzione integrata (ad esempio driver e HEMT GaN o Half-bridge con driver) può ridurre il volume dell’applicazione, permettere livelli di potenza superiori e ridurre il numero di componenti (riduzione della BOM). Prendiamo ad esempio l’ISG3201, un dispositivo da 100V della famiglia SolidGaN di INNOSCIENCE che combina due dispositivi GaN enhancement mode da 100V e 2,3mΩ con un gate driver half-bridge da 100V.
Presentato in un contenitore LGA a 30pin di soli 5×6,5×1,12mm, il dispositivo ISG3201 integrato mostra che la soluzione discreta GaN è più piccola del 66% in termini di area, come ci si potrebbe aspettare, ma che la parte integrata SolidGaN è ancora più piccola del 19%, ovvero il 73% in meno rispetto al circuito in silicio.
La figura 1 spiega anche come l’ISG3201 riduca al minimo la necessità di componenti esterni. Il resistore di pilotaggio, il Bootstrap e il condensatore della Vcc sono tutti inclusi nel contenitore del dispositivo, eliminando sette componenti (quattro resistori e tre condensatori). Un ulteriore vantaggio è che, poiché tutte queste funzioni sono integrate, l’induttanza del loop del circuito di gate è ridotta, così come l’induttanza del loop di potenza, in genere del 40%. La riduzione dell’induttanza parassita minimizza le oscillazioni e l’overshoot. Ciò non solo aumenta l’efficienza e semplifica la progettazione, ma migliora anche l’affidabilità poiché l’overshoot si riduce ad un valore minimo di 4V, cioè l’80% in meno rispetto ai concorrenti. Inoltre, sono necessari meno componenti per il clamping.
Il design del dispositivo semplifica anche il layout dello stadio di potenza. In alcune configurazioni il nodo di commutazione si trova tra Vin e PGND, il che semplifica la costruzione del dispositivo ma richiede componenti esterni aggiuntivi.
Il layout del dispositivo INNOSCIENCE della Figura 2 mostra che il nodo di commutazione si trova sul bordo, quindi è necessario solo un semplice condensatore di disaccoppiamento tra Vin e PGND e il nodo di commutazione si collega al circuito esterno. A seconda della topologia dello stadio di potenza si possono risparmiare molti componenti.
La Figura 3 mostra la semplicità dei circuiti richiesti per un inverter solare Buck (Figura 3a), LLC (Figura 3b), BLDC a 3 fasi (Figura 3c) e full-bridge (Figura 3d). L’utilizzo di un approccio discreto richiederebbe un maggior numero di componenti, come mostrato nella Figura 3a (Buck) e nella Figura 3b (LLC).
La versione integrata presenta anche vantaggi in produzione. Il montaggio dei componenti discreti nel contenitore “Wafer Level Chip Scale Package” (WLCSP) a passo fine è difficile da controllare e limita anche la quantità di rame utilizzabile sul PCB.
Sebbene il GaN sia tipicamente più freddo del silicio perché più efficiente, a livelli di potenza elevati è opportuno, se non essenziale, dover impiegare più rame per migliorare le prestazioni termiche.
Utilizzando contenitori con un maggior passo tra i pin, è possibile utilizzare PCB da due once di rame invece di un’oncia, limite pratico per i discreti a passo fine. Questo riduce le perdite e aumenta l’efficienza, estendendo la potenza utile della tecnologia GaN. I test hanno dimostrato che l’efficienza nei progetti a mezzo ponte che utilizzano componenti integrati come ISG3201 è superiore dello 0,3% rispetto alle implementazioni che utilizzano dispositivi discreti GaN a causa della riduzione del rame del PCB.
Se consideriamo un modulo di convertitore DC/DC da 48/12V funzionante a 1MHz, possiamo notare come questi miglioramenti dell’efficienza iniziano a fare una significativa differenza. La Figura 4 mostra un miglioramento complessivo dell’efficienza dello 0,7%. Questo risultato si ottiene implementando il progetto con il semiponte integrato ISG3201 invece di una soluzione a discreti. I grafici termici dimostrano che, a parità di aumento di temperatura, questo aumento di efficienza significa che è possibile ottenere il 18% di potenza in più utilizzando l’approccio integrato.
Applicazioni negli azionamenti per motori
La Figura 5 presenta un esempio di applicazione motor drive da 500W (1000W di picco) che potrebbe essere utilizzato in un sistema di mobilità elettrica. In questo progetto, tre circuiti integrati half-bridge SolidGaN ISG3201 compatti possono sostituire sei MOSFET al silicio da 90V/4mΩ in contenitore TO-220 e tre driver integrati half bridge, oltre a una manciata di componenti esterni, ottenendo un risparmio di spazio di quasi il 90%. Sono disponibili un reference design e una scheda di valutazione.
L’uso di dispositivi GaN comporta una distorsione armonica totale inferiore di almeno un ordine di grandezza. Ciò si traduce in un minor ripple della coppia e della sovracorrente e consente minori perdite negli avvolgimenti. Il motore funziona in modo più fluido e con una ridotta rumorosità audio, con implicazioni positive per l’affidabilità e la durata del motore.
Conclusione
Come possiamo vedere, le soluzioni integrate offrono molti vantaggi, tra cui le ridotte dimensioni e la maggior efficienza, ma le soluzioni GaN discrete offrono ancora il massimo della flessibilità di progettazione e potrebbero essere l’unica scelta disponibile per potenze elevate fino a quando non sarà possibile posizionare in parallelo dispositivi integrati (problematica presente nella road map).
Ma qualunque sia la vostra necessità, la tecnologia GaN – in qualche formato – è probabilmente la risposta.
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Sergio Rossi
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