Mentre i paesi sviluppati continuano a orientarsi verso l'energia pulita e ad abbandonare i combustibili fossili, il mercato tecnologico si sta evolvendo per soddisfare le mutevoli richieste dei clienti. Un aspetto di questa evoluzione è la ricerca e l'utilizzo di nuovi materiali per componenti microelettronici. In questo articolo scopri le tecnologie GaN e SiC e il modo in cui stanno rivoluzionando i circuiti integrati per gate driver isolati.
Riepilogo
Mentre i FET GaN e SiC iniziano a sostituire le tecnologie MOSFET e IGBT nelle applicazioni di commutazione di potenza, analizziamo le specifiche chiave per selezionare un gate driver isolato. Spiegheremo l'importanza della immunità ai transitori di modo comune (CMTI) e dell'inclinazione del ritardo di propagazione e presentiamo un circuito integrato per gate driver isolato ideale per l'utilizzo con questi nuovi transistor di potenza.
Introduzione
"Come si suol dire, l'età della pietra non è terminata perché erano finite le pietre, ma perché abbiamo optato per soluzioni migliori. Le stesse opportunità ci vengono offerte in materia di efficienza energetica ed energia pulita." Oggi, mentre il mondo accelera la transizione dai combustibili fossili, ben prima del loro previsto esaurimento, le parole del premio Nobel Steven Chu non sono mai state più pertinenti. Nuovi materiali semiconduttori, come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), saranno in prima linea in questa rivoluzione dell'efficienza energetica. In confronto alle attuali tecnologie MOSFET e IGBT, questi nuovi materiali consentiranno di realizzare componenti più piccoli e più leggeri, riducendo così sia il costo che il consumo energetico in applicazioni che vanno dal settore automobilistico agli inverter a celle solari (Figura 1).
Figura 1. Box di inverter con collegamento a pannelli fotovoltaici.
I nuovi interruttori di potenza, che utilizzano questi materiali, imporranno esigenze diverse ai componenti da cui sono controllati, in particolare ai gate driver. In questa soluzione di progettazione esaminiamo le aree di applicazione degli interruttori GaN e SiC rispetto ai MOSFET e IGBT e discutiamo le implicazioni per i relativi gate driver. Spiegheremo le specifiche chiave per selezionare un gate driver isolato prima di introdurre una famiglia di circuiti integrati con livelli di prestazioni che li rendono molto più adatti a queste nuove tecnologie rispetto alle offerte alternative.
Sfida allo status quo
Fino a poco tempo fa, scegliere una tecnologia di commutazione per i sistemi di alimentazione elettrica era relativamente banale. I MOSFET erano solitamente utilizzati per tensioni fino a 600 V, mentre gli IGBT erano la tecnologia preferita per tensioni più elevate. Tuttavia, la struttura cristallina laterale delle nuove tecnologie di commutazione di potenza, come il nitruro di gallio e il carburo di silicio, offre numerosi vantaggi significativi in termini di prestazioni rispetto alle tecnologie esistenti. Il primo vantaggio è che questi interruttori sono più piccoli, il che consente di aumentare le frequenze di commutazione. L'aumento delle velocità di commutazione da decine a centinaia di kilohertz aumenta l'efficienza. In secondo luogo, essi possono funzionare in sicurezza a correnti e temperature più elevate. Ciò significa che richiedono trasformatori e dissipatori di calore più piccoli, il che permette di alleggerire i motori. Nei veicoli elettrici, questa riduzione delle dimensioni e del peso incrementa l'autonomia. Allo stesso modo, la riduzione delle dimensioni degli inverter solari li rende più adatti alle applicazioni domestiche. I recenti dispositivi GaN possono funzionare fino a 600 V. Diventando sempre meno costosa, questa tecnologia è in ottima posizione per sostituire eventualmente la tecnologia MOSFET, con i SiC al posto degli IGBT nelle applicazioni a tensione più elevata.
No Free Lunch (NFL)
Sebbene questi vantaggi siano considerevoli, c'è un avvertimento da tenere presente. Nella Figura 2 viene mostrato un circuito in cui un microcontroller a bassa tensione è isolato galvanicamente (per motivi di sicurezza) dal dominio ad alta tensione che include gli interruttori di uscita e il relativo gate driver. Velocità di commutazione più elevate aumentano la sensibilità ai transitori di commutazione più veloci. Ad esempio, i sistemi di alimentazione GaN in genere commutano in 5 ns (un ordine di grandezza più veloce rispetto ai sistemi MOSFET tradizionali). Se si suppone un tipico binario ad alta tensione di 600 V, si ottiene un transitorio di commutazione di (600 V/5 ns) = 120 kV/μs.
Figura 2: Tipico circuito di un convertitore di potenza isolato.
I transitori di rumore rapidi possono compromettere la trasmissione dei dati attraverso la barriera di isolamento o, peggio ancora, causare un guasto che potrebbe attivare l'accensione contemporanea di entrambi i FET di potenza, provocando un pericoloso cortocircuito. Per evitare questa situazione, le tecnologie di commutazione rapida richiedono un'immunità ai transitori di modo comune (CMTI) dei gate driver di almeno 120 kV/μs per i progetti che utilizzano un tipico binario ad alta tensione di 600 V. L'immunità ai transitori di modo comune è definita come il tasso massimo tollerabile di aumento o diminuzione della tensione di modo comune applicata tra due circuiti isolati. L'unità è normalmente espressa in kV/μs. Un valore di CMTI elevato significa che viene preservato un livello di segnale su ciascun lato della barriera di isolamento (entro i limiti della scheda tecnica) quando la barriera di isolamento viene colpita da un segnale di modo comune ad alta tensione. Nella Figura 3 è mostrata una configurazione semplificata del test CMTI.
Figura 3: Misurazione di CMTI.
Corrispondenza del ritardo di propagazione
Nel circuito mostrato nella Figura 4, è imperativo che in nessuna circostanza entrambi gli interruttori siano attivati contemporaneamente, poiché ciò comporterebbe un cortocircuito potenzialmente dannoso (solitamente chiamato "shoot-through"). Per evitare che ciò accada, nella progettazione dovrebbe essere consentita una piccola quantità di "tempi morti" in cui entrambi gli interruttori sono disattivati. Tuttavia, gli interruttori GaN continuano a condurre una certa corrente, anche se polarizzati in modo inverso. Ciò riduce l'efficienza poiché non tutta la potenza viene trasferita al carico in questo periodo. Occorre quindi trovare un compromesso tra lasciare un "tempo morto" sufficientemente sicuro e la riduzione dell'efficienza che ne deriva. Per ottenere una soluzione ottimale è necessario comprendere la variabilità nel ritardo di propagazione tra le singole parti del gate driver, nota come adattamento del ritardo di propagazione da parte a parte (o da canale a canale, per le parti con più canali) o inclinazione. Quando si progetta questo tipo di circuito, un gate driver con la minore inclinazione possibile del ritardo di propagazione è l'opzione migliore in quanto consente di ridurre al minimo i tempi morti, garantendo al tempo stesso che non si verifichi mai una condizione di "shoot through".
Figura 4. Circuito a semiponte push-pull.
Soluzione 2 per 1
Nella Figura 5 è mostrata una famiglia di circuiti integrati per gate driver isolati che affrontano le due sfide discusse in precedenza.
Come mostrato nella Figura 6, queste parti hanno una CMTI di 300 kV/μs (valore tipico), un livello di protezione superiore a quello offerto da parti simili, rendendole ideali per applicazioni che utilizzano interruttori GaN e SiC.
Figura 6. Misurazione CMTI del MAX22700.
L'inclinazione del ritardo di propagazione è di soli 2 ns (valore massimo) a temperatura ambiente e di 5 ns (valore massimo) nella gamma di temperature d'esercizio da -40 °C a +125 °C, riducendo al minimo i tempi di inattività e quindi aumentando l'efficienza. Tra gli altri vantaggi è incluso un blocco di sottotensione (UVLO) di precisione il quale garantisce che più parti, azionanti gli interruttori in parallelo, funzionino alla stessa tensione iniziale. Ciò è importante quando si imposta il VGS per i transistor SiC. Sono disponibili diverse varianti con opzioni di uscita per il pin comune del gate driver: GNDB (MAX22700), morsetto Miller (MAX22701) e UVLO regolabile (MAX22702). Inoltre, sono disponibili versioni con ingresso differenziale (versioni D) o con ingresso singolo (versioni E). La barriera di isolamento ha una tensione nominale di tenuta di 3 kVRMS per 60 s per fornire prestazioni robuste. Questi circuiti integrati possono azionare i FET SiC o GaN con diversi circuiti di gate drive in uscita e diverse tensioni di alimentazione sul lato B.
Riepilogo
La crescente attenzione rivolta al risparmio energetico nella nostra vita quotidiana spinge alla ricerca di nuovi modi per far funzionare le cose. SiC e GaN sono materiali semiconduttori che possono funzionare in tutta sicurezza a velocità e temperature più elevate, consentendo di realizzare progetti più leggeri ed efficienti in diverse applicazioni. Questi nuovi materiali, tuttavia, impongono nuove esigenze ai circuiti che li azionano. Abbiamo dimostrato perché la CMTI e l'inclinazione del ritardo di propagazione sono due delle specifiche più importanti da prendere in considerazione quando si seleziona un gate driver isolato per applicazioni che impiegano queste tecnologie di commutazione. Abbiamo inoltro presentato una famiglia di circuiti integrati per gate driver isolati con la CMTI più alta e l'inclinazione del ritardo di propagazione più bassa, rendendoli ideali per l'uso con FET GaN e SiC nei gruppi di continuità, negli inverter fotovoltaici e anche nelle unità motore.
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