En la búsqueda incesante por reducir el tamaño de las placas y aumentar la eficiencia, los dispositivos de potencia con transistores de efecto de campo de nitrura de galio (GaNFET) se han convertido en los candidatos ideales para superar estos límites. El GaN es una tecnología emergente que promete una mayor potencia con una conmutación ultrarrápida y menores pérdidas de conmutación. Estas ventajas permiten soluciones con mayor densidad de potencia. El mercado actual está saturado con una gran variedad de controladores MOSFET de Si, y los nuevos controladores de GaN y controladores con controladores de GaN integrados tardarán aún algunos años en estar disponibles. Junto con los controladores GaNFET simples y específicos (como el LT8418), existen en el mercado controladores buck y boost complejos destinados a GaN (LTC7890, LTC7891). Todavía no existe una solución sencilla de buck-boost de 4 interruptores. Sin embargo, controlar los GaNFET no es tan difícil como podría parecer. Con algunos conocimientos básicos, los controladores diseñados para MOSFET de Si pueden adaptarse para controlar GaNFET. El LT8390A es un excelente candidato, ya que es un controlador buck-boost único de 2 MHz con un tiempo muerto muy bajo (25 ns) (véase la figura 1). El esquema buck-boost tiene la resistencia de detección en línea con el inductor y fuera de ambos bucles calientes, una característica novedosa para los buck-boost. Esto permite que el controlador funcione en modo de control de corriente máxima tanto en las regiones de funcionamiento boost como buck (así como en el buck-boost de 4 interruptores). Aunque el artículo profundiza en el control GaNFET buck-boost de 4 interruptores, la información puede ampliarse a controladores buck o boost simples.
Figura 1. Esquema del controlador GaN buck-boost de 24 VOUT y 5 A con 4 interruptores EVAL-LT8390A-AZ.
El controlador de puerta de 5 V es imprescindible
Para una conversión de alta potencia, los controladores de silicio suelen funcionar por encima de 5 V, con controladores de puerta MOSFET de silicio típicos que oscilan entre 7 V y 10 V o incluso más. Esto supone un reto para los GaNFET, ya que suelen tener una tensión máxima absoluta de puerta de
6 V. Incluso la oscilación causada por inductancias parásitas de la PCB en las líneas de retorno de la puerta y la fuente que superan el voltaje máximo de la puerta puede provocar fallos catastróficos. Es necesario tener en cuenta cuidadosamente el diseño para conducir de forma segura y eficaz un GaNFET, minimizando las inductancias en las señales de retorno de la puerta y la fuente. Además del diseño, es fundamental implementar una protección a nivel de componentes para evitar sobretensiones catastróficas en las puertas.
El LT8390A proporciona un controlador de puerta de 5 V diseñado específicamente para FET de control de puerta más bajos, lo que lo convierte en una opción ideal para GaNFET. El problema es que los controladores FET de silicio a menudo carecen de protección contra sobretensiones accidentales. En particular, la alimentación de arranque de los FET superiores en los controladores de puerta de silicio no está regulada, lo que significa que el controlador de puerta superior puede desviarse fácilmente por encima de la tensión máxima absoluta del GaNFET. La figura 2 muestra cómo solucionar esto: se coloca un diodo Zener de 5,1 V (D5 y D6) en paralelo con el condensador de arranque para limitar ese voltaje al nivel de control recomendado para el GaNFET. Esto garantiza que el voltaje de la puerta se mantenga dentro del rango de funcionamiento seguro.
Figura 2. Esquema simplificado del controlador GaN buck-boost de 4 interruptores con componentes de protección de control GaN.
Figura 3. Corriente de salida máxima del EVAL-LT8390A-AZ frente a la tensión de entrada. La placa puede producir 120 W a través de un amplio rango de entrada a alta frecuencia.
Figura 4. Eficiencia del controlador GaN EVAL-LT8390A-AZ frente a la eficiencia del controlador MOSFET de silicio DC2598A. Los GaNFET proporcionan una mayor eficiencia a tensiones más altas.
Además, para una protección aún mayor, se añade una resistencia de 10 Ω en serie con los diodos bootstrap (D3 y D4) para reducir cualquier oscilación que pueda ser causada por el nodo del interruptor de alta potencia y muy rápido.
Retos Dead Time y Body Diode
En los convertidores tradicionales, hay un diodo de captura que conduce durante el tiempo de apagado. Los convertidores síncronos sustituyen el diodo de captura por otro interruptor para reducir la pérdida de conducción directa de un diodo. Sin embargo, surge un problema si los interruptores superior e inferior se activan simultáneamente, lo que provoca un disparo. En caso de disparo, ambos FETS pueden quedar esencialmente en cortocircuito a tierra, lo que puede provocar fallos en los componentes y otras consecuencias desastrosas. Para evitarlo, los controladores implementan un tiempo muerto, un periodo en el que no se activa ni el interruptor superior ni el inferior. Los controladores síncronos CC-CC típicos implementan tiempos muertos de hasta 60 ns. Este tiempo muerto no es un problema significativo con los MOSFET de silicio, ya que el diodo del cuerpo conduce durante este periodo.
Los GaNFET no tienen diodos del cuerpo y se activan y desactivan mucho más rápido que los MOSFET de silicio. En lugar de que los diodos del cuerpo conduzcan durante el tiempo muerto, los GaNFET pueden conducir con 2 V a 4 V, en comparación con los 0,7 V típicos de un diodo. Este voltaje de conducción, multiplicado por la corriente de conducción, puede dar lugar a una pérdida de potencia casi seis veces mayor durante el tiempo muerto. Este aumento de la pérdida de potencia, combinado con un tiempo muerto prolongado, puede provocar un sobrecalentamiento y daños en los FET. La mejor solución es minimizar el tiempo muerto. Sin embargo, los controladores destinados a FET de silicio diseñan el tiempo muerto teniendo en cuenta que los FET de silicio tienen características de encendido/apagado lentas (en decenas de ns). Por lo tanto, el tiempo muerto se establece más largo para evitar el disparo.
El LT8390A tiene un tiempo muerto establecido de 25 ns, que es más corto que el de muchos controladores síncronos del mercado. Aunque esto es adecuado para el control de MOSFET de alta frecuencia y potencia, sigue siendo demasiado largo para los GaNFET. Los GaNFET pueden encenderse con extrema rapidez (en nanosegundos). Por lo tanto, para mitigar las pérdidas de conducción adicionales durante el tiempo muerto, se recomienda añadir un diodo Schottky de captura en antiparalelo con el GaNFET síncrono para desviar la conducción hacia una vía con menos pérdidas. D1 y D2 en la figura 2 muestran en qué FET se deben colocar los diodos Schottky. D1 se coloca en el FET del lado del reductor síncrono y D2 en el FET del lado del elevador síncrono. Para un convertidor reductor simple, solo se necesita D1. Para un elevador simple, utilice D2.
Mayor potencia con mayor frecuencia
El LT8390A tiene una frecuencia de conmutación de hasta 2 MHz. Los GaNFET tienen pérdidas de conmutación significativamente menores en comparación con los MOSFET de Si, lo que permite pérdidas de potencia similares a frecuencias y voltajes de conmutación más altos. La placa GaNFET EVAL-LT8390A-AZ GaNFET demuestra las ventajas de eficiencia y tamaño compacto del uso de GaNFET al establecer la frecuencia de conmutación en 2 MHz.
Con una salida de 24 V, los GaNFET pueden producir 120 W de potencia a temperatura ambiente. El tamaño de la placa es comparable al de la placa de evaluación LT8390A anterior: la DC2598A, que utiliza MOSFET de silicio y proporciona una salida de 12 VOUT con 48 W de potencia.
La figura 3 muestra la capacidad de potencia máxima de un buck-boost de GaN de 2 MHz, mientras que la figura 4 compara la eficiencia de ambas placas. Incluso a voltajes más altos y con una potencia de salida 2,5 veces mayor, la placa GaNFET ofrece una mayor eficiencia que la placa MOSFET de silicio. El uso de GaNFET permite el funcionamiento a voltajes y potencias más altos con un área de placa similar.
Tabla 1. Controladores CC-CC compatibles con GaNFET
Conclusión
Si no hay controladores CC-CC que tengan específicamente capacidades de control de GaNFET, aún es posible controlarlos de manera eficaz. Incluso utilizando un controlador originalmente destinado a controlar MOSFET de Si, el EVAL-LT8390A-AZ puede superar fácilmente su potencia y alcanzar una mayor eficiencia en un área de placa similar. La tabla 1 muestra una amplia selección de controladores recomendados para controlar GaNFET. Para requisitos de potencia aún mayores, como el control GaNFET buck-boost en paralelo, póngase en contacto con la fábrica. Investigando un controlador que ofrezca un controlador de puerta de 5 V e incorporando componentes de circuito de protección externos adicionales, es posible controlar los GaNFET de forma segura y explorar más opciones en el diseño de la conversión de potencia.
Acerca del autor
Kevin Thai es director de aplicaciones de Analog Devices en San José, California. Trabaja en el Grupo de Productos de Alimentación IPS y supervisa las líneas de productos de protección y flyback aislados, junto con otros productos de controladores boost, buck-boost y GaN. Obtuvo su licenciatura en Ingeniería Eléctrica en Cal Poly, San Luis Obispo, en 2017, y su máster en Ingeniería Eléctrica en la Universidad de California, Los Ángeles, en 2018.
