Lors de la conception d’applications énergétiques avec la technologie à large bande interdite de nitrure de gallium (GaN), un contrôle approprié du circuit de commande de la grille est essentiel pour maximiser l’efficacité, les économies d’espace et la fiabilité.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat de contenu numérique exclusif avec les systèmes d’alimentation de Bodo.
Alors que le monde se tourne vers l’électrification pour utiliser l’énergie de manière plus efficace et passer aux sources d’énergie renouvelables, le moment est venu d’adopter des technologies à semi-conducteurs à large bande interdite telles que le nitrure de gallium (GaN). Les performances des transistors MOSFET classiques en silicium et des IGBT sont désormais proches des limites théoriques du matériau, et leur développement ultérieur ne permet d’obtenir que de petites améliorations, lentement et à un coût élevé. Les transistors GaN permettent une augmentation significative et instantanée de l’efficacité de conversion de puissance et offrent des avantages supplémentaires, notamment une taille réduite et une plus grande fiabilité.
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En conséquence, ces dispositifs envahissent de nouvelles conceptions pour des applications importantes telles que les adaptateurs d’alimentation et les chargeurs muraux, les systèmes de charge de véhicules électriques, les alimentations électriques industrielles et médicales, et les pilotes de moteur. Les utilisateurs finaux vivront cette révolution avec l’arrivée sur le marché de nouvelles générations d’équipements dans des formats plus fins, plus faciles à transporter et plus froids que leurs prédécesseurs. La technologie GaN offre également des avantages dans les amplificateurs audio de classe D, notamment une autonomie de batterie plus longue, une taille réduite dans les applications portables et mobiles, et la possibilité d’une qualité audio supérieure.
Plusieurs avantages importants des transistors GaN découlent de leurs effets parasites généralement plus faibles que ceux des équivalents en silicium. En particulier, des valeurs plus faibles de la capacité grille-source et de la capacité grille-drain (CGS, CGD) se traduisent par une réduction des pertes d’énergie lors de la commutation. La figure 1 compare l’efficacité des convertisseurs abaisseurs de tension de 48 V à 3,3 V mis en œuvre à l’aide des technologies en silicium et GaN, montrant un avantage significatif en terme d’efficacité pour le GaN qui devient encore plus grand à un courant de sortie plus élevé.
Figure 1. Comparaison de l’efficacité entre les technologies GaN et en silicium dans un convertisseur abaisseur de tension. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
De plus, une charge et une décharge plus rapides des capacités se traduisent par des temps de retard et de transition plus courts, ce qui permet aux ingénieurs de concevoir des applications pour des fréquences de commutation dans la plage des MHz. Cela permet l’utilisation de composants de stockage plus petits, avec un impact direct sur l’augmentation de la densité de puissance. Dans les amplificateurs de classe D, une fréquence de commutation élevée permet d’obtenir une meilleure fidélité audio. De plus, une faible valeur de CGS améliore la commande de commutation dans les applications qui nécessitent un rapport cyclique faible, telles que les régulateurs abaisseurs de tension avec un rapport de dérivation élevé.
Débloquez les avantages du GaN
La puissance n’est rien sans contrôle, et ce principe s’applique bien à la commande des transistors GaN dans les circuits de commutation. Le rôle du circuit de commande de la grille est essentiel pour maximiser les avantages d’efficacité des transistors GaN tout en protégeant la structure du dispositif pour garantir la fiabilité.
MinDCet a créé le circuit intégré MDC901 avec des caractéristiques spécialement conçues pour assurer une commutation sécurisée, rapide et efficace du GaN afin de maximiser les performances et les économies d’énergie, en s’appuyant sur une expérience de production de circuits intégrés sur mesure haute performance et haute fiabilité pour des applications exigeantes, y compris des composants prêts pour l’espace résistant aux radiations. La figure 2 met en évidence que la surface de la carte de circuit imprimé requise par le circuit de commande de la grille MDC901 est cinq fois plus petite que les composants externes nécessaires pour une solution de commande de grille comparable.
Figure 2. La surface de la carte de circuit imprimé utilisée par le circuit de commande de la grille MDC901 est cinq fois plus petite que les composants externes nécessaires pour une solution de commande de grille concurrente équivalente. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Protection contre la surcharge
L’oxyde de grille des transistors GaN est relativement fragile et peut être endommagé par une tension excessive. Le comportement de l’inductance parasite dans la boucle de grille, la charge/décharge des capacités du transistor pendant la commutation et les tensions induites apparaissant sur les lignes de signal sont tous des facteurs qui peuvent exposer le transistor du côté bas à une tension source-grille (VGS) potentiellement dommageable.
Il existe différentes manières de protéger la grille contre les surtensions. L’une d’entre elles consiste à ajouter un circuit de limitation externe. Cependant, cela a tendance à augmenter la consommation d’énergie et l’encombrement du circuit. Les effets parasites de la carte de circuit imprimé limitent également son efficacité. Alternativement, la protection peut être intégrée au transistor GaN au prix d’une complexité et d’un coût accrus du dispositif. Le circuit intégré de commande de grille en demi-pont MDC901 de MinDCet protège la grille du transistor GaN en intégrant des régulateurs de tension linéaires (LDO) flottants réels pour les circuits de commande côté haut et côté bas. Ces LDO régulent étroitement la tension à un niveau qui peut être programmé à 5 ou 6 V. Ainsi, le circuit de commande empêche efficacement les surtensions tout en permettant aux concepteurs d’avoir un choix plus large de transistors GaN sans protection interne.
Contrôle du temps mort
Pour réaliser tous les avantages d’efficacité que la technologie GaN peut offrir dans la conversion de puissance, les concepteurs doivent comprendre le comportement des capacités parasites et la physique qui permet une conduction inverse du transistor lorsque VGS = 0 V. En revanche, un MOSFET en silicium ordinaire a une diode interne intrinsèque qui conduit le courant anti-couplage ; le transistor GaN n’a pas de diode interne. Le dispositif s’auto-commute lorsqu’il est polarisé en sens inverse avec VGS = 0 V, de sorte que le courant anti-couplage passe par le canal drain-source du transistor. Cela présente plusieurs avantages, notamment l’élimination des pertes associées à la récupération inverse de la diode corps et du bruit interne généré lors de la mise en marche de la diode.
D’autre part, la chute de tension à travers le transistor est plus grande que la tension correspondante à travers la diode corps d’un MOSFET en silicium. Dans un demi-pont, la perte due à cette chute de tension est supportée pendant le temps mort du transistor. Par conséquent, un temps mort court permet de minimiser ces pertes et d’améliorer l’efficacité. D’autre part, un temps mort insuffisant entraîne des pertes car la capacité drain-source se décharge à travers le transistor complémentaire.
Le temps mort idéal dépend de l’application. Par conséquent, le contrôle du temps mort est une fonctionnalité souhaitable d’un circuit de commande de grille GaN approprié pour aider les concepteurs à optimiser les performances et l’efficacité. De plus, le contrôle garantit également que le temps mort est connu et constant pendant la durée de vie de l’application.
Le MDC901 offre des entrées numériques qui permettent de régler le temps mort pour les phases de mise en marche et d’arrêt de l’opération en demi-pont. Le circuit de commande peut également régler automatiquement le temps mort si nécessaire. Une détection en boucle fermée des tensions de grille du GaN garantit une sécurité en s’assurant que le transistor côté haut ou côté bas ne peut s’allumer que lorsque le dispositif complémentaire est éteint.
Force de sortie
Un des points forts de la technologie GaN réside dans sa capacité à passer rapidement de l’état hors tension à l’état sous tension et ainsi minimiser la dissipation. La réalisation d’un temps de transition de commutation court dépend de la fourniture d’un courant de grille adéquat. Le MDC901 a une force de commande de grille maximale de 10 A, ce qui permet de garantir des transitions de commutation rapides même lorsque plusieurs transistors GaN sont connectés en parallèle.
Si une commutation rapide est généralement une priorité, il faut veiller à modérer la vitesse pour éviter les oscillations. Cela est généralement réalisé en utilisant des résistances choisies en fonction de l’inductance du circuit de grille et de la capacité de grille du transistor. Il est courant que le circuit de commande intègre ces résistances pour faciliter la commande du courant de mise en marche/arrêt.
Le MDC901 adopte une approche différente qui met l’accent sur l’utilisation de résistances externes, déplaçant ainsi la dissipation de puissance en dehors du circuit intégré de commande. Cela facilite la gestion thermique et améliore la fiabilité. Le circuit de commande offre des sorties distinctes pour la mise en place et la suppression de la grille. De plus, le circuit est conçu pour fonctionner avec une tension de sortie allant jusqu’à -4 V pour assurer un fonctionnement correct lorsque la tension oscille en dessous de la terre d’alimentation, ce que peut provoquer une combinaison d’inductance de source et de conditions de charge.
Haut rapport cyclique
Un autre avantage important des capacités de commutation rapide des transistors GaN est leur capacité à fonctionner efficacement à des rapports cycliques faibles. Cela peut être vrai dans des applications telles que la conversion d’énergie avec un grand rapport d’abaissement. Le GaN permet de convertir directement un bus de 48 V en 1 V, au niveau du point de charge, avec une grande efficacité et sans étape intermédiaire requise. Cela permet des économies sur la liste des matériaux et une empreinte de circuit plus petite, tout en éliminant les pertes de conversion intermédiaire. La capacité des transistors GaN à minimiser les pertes de commutation en effectuant des transitions rapides peut augmenter l’efficacité de conversion globale de 10 à 15 % par rapport à la technologie équivalente de MOSFET en silicium à la même fréquence de commutation.
Inversement, la capacité de commutation rapide du GaN rend la technologie adaptée aux applications nécessitant des rapports cycliques extrêmement élevés. Cela inclut les amplificateurs de classe D et les pilotes de moteur, en particulier lorsqu’ils fonctionnent à des vitesses élevées. Lorsqu’il fonctionne à un rapport cyclique élevé soutenu, la tension bootstrap et donc la tension appliquée à la grille du transistor GaN peuvent être réduites en raison des effets de fuite et de la polarisation d’autres charges dans le système. Pour remédier à cela, le circuit de commande MDC901 intègre une pompe de charge pour maintenir la polarisation nécessaire de commande de grille. Cela permet un fonctionnement jusqu’à un rapport cyclique de 100 %, ce qui permet au commutateur côté haut d’être maintenu allumé pendant des périodes prolongées. Le MDC901 intègre également des diodes bootstrap qui aident à garantir une force de commande de grille adéquate.
La figure 3 montre les fonctionnalités internes du circuit de commande, y compris la pompe de charge, le générateur de temps mort et les régulateurs flottants. Des fonctionnalités de sécurité essentielles du système sont également intégrées, telles que la surveillance de la température de la puce, la surveillance de la sortie du signal de grille et le verrouillage de sous-tension de la grille (UVLO).
Figure 3. Diagramme en bloc du circuit intégré de commande de grille MDC901 GaN. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Pour accélérer le développement, MinDCet a créé trois cartes d’évaluation en demi-pont. Le MDC901-EVKHB, le MDC901-15I-EVKHB et le MDC901-2E-EVKHB combinent le circuit de commande MDC901 avec les HEMTs GaN GS61008P de GaN Systems, les FET INN150LA070A de 150 V d’Innoscience et les FET eGaN EPC2215 de 200 V, respectivement, dans une topologie de convertisseur abaisseur de tension. Une quatrième carte d’évaluation en demi-pont MDC901-15NEVKHB utilisant le FET GaN GAN7R0-150LBE de 150 V de Nexperia est en cours de développement et sera bientôt disponible. Chaque carte mesure 80 mm x 90 mm et est prête à l’emploi dès la sortie de la boîte, offrant une solution compacte prête pour les tests.
Conclusions sur la commande de grille GaN
Les transistors GaN peuvent se placer directement dans des topologies de conversion de puissance établies et offrir des avantages, notamment une plus grande efficacité énergétique, une densité de puissance plus élevée, des dimensions de produit plus compactes, des températures de fonctionnement plus fraîches avec une gestion thermique plus facile et une plus grande fiabilité.
Pour maximiser ces avantages, il faut effectuer une certaine ré-ingénierie, en particulier concernant la commande des transistors. Les caractéristiques idéales du circuit de commande de grille comprennent une grande capacité d’absorption de courant pour commander plusieurs dispositifs GaN en parallèle, un temps mort configurable et une protection contre la surcharge de grille. Avec des fonctions supplémentaires, notamment une pompe de charge intégrée pour les applications nécessitant un rapport cyclique élevé et des fonctions de protection système intégrées, le MDC901 répond aux exigences des applications énergétiquement conscientes dans les marchés médicaux, industriels, grand public et automobiles.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF] et est coécrit par Mike Wens, Jef Thoné et David Czajkowski de MinDCet NV en Belgique.