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Confronto tra soluzioni GaN discrete e integrate

da | 22 Nov, 23 | Power |

A cura del Dr. Shuilin Tian e del Dr. Denis Marcon di Innoscience

Il mondo dell’elettronica di potenza ha accolto con interesse i vantaggi offerti dalla tecnologia basata sul nitruro di gallio (GaN). Gli articoli pubblicati sulla stampa specializzata, le manifestazioni e le conferenze tenute in varie parti del mondo si sono focalizzate sull’aumento dell’efficienza e della potenza che si può ottenere passando dai tradizionali MOSFET al silicio alle soluzioni basate sul GaN. Le aspettative di crescita stimate dagli analisti variano da caso a caso, ma quasi tutti prevedono un CAGR di almeno il 24% fino al 2027, con stime più elevate soprattutto nei segmenti di mercato cruciali, come industria, elettronica di consumo, telecomunicazioni e automotive. Oggi, oltre a una diffusa disponibilità sul mercato di dispositivi HEMT GaN discreti, stiamo assistendo a una crescita di soluzioni GaN integrate sviluppate dai principali produttori di semiconduttori, che sfruttano i vantaggi intrinseci del nitruro di gallio per fornire prestazioni ancora superiori.

Anzitutto, occorre sottolineare come la soluzione integrata non sia una panacea universale. A seconda del particolare tipo di circuito, potrebbe essere preferibile utilizzare un componente GaN discreto ad alta efficienza. Ciò è soprattutto vero se è richiesto un driver specifico, o se il driver è già incluso nel controllore, o per livelli di potenza più elevati (> 1kW), tenendo presente che alcune soluzioni integrate non possono ancora essere messe in parallelo. Per queste e altre applicazioni che richiedono la massima flessibilità di progettazione, produttori come Innoscience offrono un’ampia gamma di componenti discreti con tensioni da 30V a 700V e diversi valori di resistenza nello stato on.

In molti altri casi, una soluzione integrata (composta, ad esempio, da driver + HEMT GaN o half-bridge + driver) può semplificare l’attività di progettazione, offrire livelli di potenza più elevati e ridurre il numero di componenti (riduzione della BOM). Consideriamo come esempio l’ISG3201, un componente da 100V della famiglia SolidGaN di Innoscience, il quale combina due dispositivi GaN in modalità enhancement da 2,3mΩ a 100V con un gate driver half-bridge da 100V. Offerto in un package LGA a 30 pin di soli 5 x 6,5 x 1,12 mm, il dispositivo si rivolge ad applicazioni quali convertitori buck ad alta frequenza, convertitori half-bridge o full-bridge, amplificatori audio in classe D, convertitori LLC e moduli di potenza per soluzioni come driver motori, intelligenza artificiale, server, telecomunicazioni e supercomputer. In Figura 1 è visibile uno schema semplificato del dispositivo

Figura 1: Confronto tra una soluzione dicreta tradizionale e una integrata poposta da Innoscience (Fonte: Innoscience Technology)

Il confronto tra un circuito half-bridge basato su MOSFET al silicio di alta qualità, dispositivi GaN discreti e il modulo integrato ISG3201 mostra come la soluzione GaN discreta abbia, in termini di area, una dimensione inferiore del 66% rispetto alla prima, come è lecito aspettarsi. Tuttavia, la soluzione integrata SolidGaN è ancora più piccola del 19%, ovvero il 73% in meno rispetto a un circuito implementato con soli MOSFET al silicio. La Figura 1 evidenzia come l’ISG3201 riduca al minimo la necessità di componenti esterni. La resistenza di pilotaggio, il bootstrap e il condensatore VCC sono tutti inclusi nella confezione, eliminando così sette componenti (quattro resistenze e tre condensatori). Un ulteriore vantaggio è che, essendo tutte queste funzioni integrate, l’induttanza dell’anello di gate si riduce, così come l’induttanza dell’anello di alimentazione, fino al 40%. La riduzione degli elementi parassiti comporta, come effetto, una riduzione del ringing e dell’overshoot. Ciò non solo aumenta l’efficienza e semplifica la progettazione, ma migliora anche l’affidabilità, poiché l’overshoot è ridotto a 4V, ovvero l’80% in meno rispetto alle migliori soluzioni concorrenti. Inoltre, sono necessari meno componenti di clamping.

Questa soluzione 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 progetto di Innoscience, visibile in Figura 2, mostra come il nodo di commutazione si trovi sul bordo e, pertanto, sia necessario solo un semplice condensatore di decupling tra Vin e PGND per collegare il nodo di commutazione al circuito esterno. A seconda della topologia dello stadio di potenza prescelto, si possono così risparmiare molti componenti.

Figura 2: La soluzione di Innoscience riduce drasticamente l’overshoot (Fonte: Innoscience Technology)

La Figura 3 mostra la semplicità dei circuiti necessari per realizzare un convertitore buck (Figura 3a) e un convertitore LLC (Figura 3b), rispettivamente. Lo stesso discorso vale, ad esempio, per un inverter solare trifase BLDC e full-bridge. L’utilizzo di un approccio discreto richiederebbe un maggior numero di componenti, come mostrato nella Figura 3a (convertitore buck) e nella Figura 3b (convertitore LLC).

Figura 3a: Confronto tra un convertitore buck basato sulla soluzione integrata di Innoscience e uno basato su componenti discreti(Fonte: Innoscience Technology)

Figura 3b: Confronto tra un convertitore LLC basato sulla soluzione integrata di Innoscience e uno basato su componenti discreti(Fonte: Innoscience Technology)

Il design integrato presenta anche dei vantaggi per la produzione. Il montaggio dei componenti discreti in un Wafer Level Chip Scale Package (WLCSP) a passo fine è difficile da controllare e limita anche la quantità di rame che può essere utilizzata sul PCB. Sebbene il GaN, essendo maggiormente efficiente, scaldi meno del silicio, a livelli di potenza elevati è auspicabile, se non addirittura essenziale, l’impiego di più rame per migliorare le prestazioni termiche. Utilizzando dispositivi integrati con un passo dei pin maggiore, è possibile utilizzare due once di rame anziché una, che è il limite pratico per i discreti a passo fine. Ciò riduce la perdita di potenza e aumenta l’efficienza, estendendo la gamma di potenza utile della tecnologia GaN. Test sperimentali hanno dimostrato che l’efficienza dei circuiti half-bridge che utilizzano componenti integrati come l’ISG3201 è superiore dello 0,3% rispetto alle implementazioni che utilizzano dispositivi GaN discreti, grazie all’aumento del rame del PCB.

Se consideriamo un modulo convertitore CC/CC da 48V a 12V operante alla frequenza di 1 MHz, possiano constatare come questi miglioramenti in termini di efficienza iniziano a fare una differenza significativa. La Figura 4 mostra un miglioramento complessivo dell’efficienza pari a 0,7% ottenibile implementando il progetto con l’half-bridge integrato ISG3201, rispetto a una soluzione discreta. I diagrammi termici dimostrano che, a parità di aumento della temperatura, questo incremento di efficienza consente di ottenere il 18% di potenza in più utilizzando l’approccio integrato.

Figura 4: Curva di efficienza e analisi termica della soluzione integrata (Fonte: Innoscience Technology)

Applicazioni di controllo motore

In Figura 5 è mostrato un esempio di applicazione driver per motori da 500W (1000W di potenza di picco), come quelli che potrebbero essere utilizzati in un’applicazione per la mobilità elettrica. In questo progetto, tre circuiti integrati half-bridge SolidGaN ISG3201 possono sostituire sei MOSFET al silicio da 90V/4mΩ in package TO-220 e tre circuiti integrati driver half bridge, oltre a una manciata di componenti esterni, con un risparmio di spazio di quasi il 90%. Innoscience mette a disposizione dei progettisti un progetto di riferimento e una scheda di valutazione.

Figura 5: Esempio di utilizzo della soluzione integrata in un driver per motori da 500W (Fonte: Innoscience Technology)

In aggiunta, l’utilizzo del GaN comporta, come visibile in Figura 6, una distorsione armonica totale inferiore di almeno un ordine di grandezza. Ciò si traduce in una minore ondulazione della coppia, in una minore sovracorrente e in minori perdite di avvolgimento. Il motore funziona in modo più fluido e con meno rumore udibile, con implicazioni positive per l’affidabilità e la durata del motore.

Figura 6: Un ulteriore vantaggio della soluzione integrata è la riduzione della distorsione armonica (Fonte: Innoscience Technology)

Conclusioni

Come abbiamo potuto vedere, le soluzioni integrate offrono diversi vantaggi, tra cui le dimensioni e l’efficienza, ma le soluzioni discrete GaN offrono ancora il massimo della flessibilità progettuale e potrebbero essere l’unica scelta disponibile per le potenze più elevate, almeno fino a quando non sarà raggiunto un ulteriore parallelismo dei dispositivi integrati (questo risultato è già presente nella roadmap per gli sviluppi futuri).

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