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Due cavalli vincenti: sperimentazione con i GaN GS61008T di GaN Systems e EPC2032 di EPC

da | 9 Feb, 22 | Tutorial |

I transistor GaN sono ideali per le nuove applicazioni di potenza. Essi sono caratterizzati da piccole dimensioni, velocità operative molto alte e risultano estremamente efficienti. Con essi, qualsiasi progetto di potenza può essere realizzato senza problemi. In questo tutorial sperimenteremo con il GaN GS61008T di GaN Systems e il GaN EPC2032 di EPC.

Caratteristiche del GS61008T

Si tratta di un transistor di potenza molto avanzato (vedi in figura 1). E’ ideale per applicazioni ad alta corrente, alta tensione e alta frequenza di commutazione. E’ caratterizzato da una bassa induttanza e bassa resistenza termica, il tutto in un piccolo package. La sua altissima efficienza di commutazione consente di utilizzarlo al meglio nelle applicazioni di estrema potenza. Le applicazioni più comuni comprendono i convertitori AC-DC, le motorizzazioni industriali, la robotica, la trazione, gli amplificatori audio di classe D e le ricariche rapide delle batterie, anche in modalità Wireless. Ecco alcune sue caratteristiche degne di nota:

  • configurazione per il raffreddamento sul lato superiore;
  • Rds(on): 7 milliOhm (0.007 Ohm);
  • Ids(max): 90 A;
  • tensione Drain-Source (Vds): 100 V;
  • semplice pilotaggio di “gate” con una tensione compresa tra 0 V e 6 V;
  • bassa induttanza;
  • temperatura operativa di giunzione (Tj): da -55° C a +150° C;
  • frequenza di commutazione molto alta (> 10 MHz);
  • tempi di salita e discesa rapidi e controllabili;
  • misure di 7.0 x 4.0 mm;
  • resistenza termica: 0.55° C/W;
  • presenza di due “gate” per una disposizione comoda su PCB.
Figura 1: il transistor GaN GS61008T

Caratteristiche dell’EPC2032

L’EPC2032 eGaN è fornito in formato con delle protuberanze per la saldatura (vedi in figura 2). Le sue dimensioni sono molto ridotte. Ecco alcune sue caratteristiche degne di nota:

  • Rds(on): 4 milliOhm (0.004 Ohm);
  • Ids(max): 48 A;
  • tensione Drain-Source (Vds): 100 V;
  • Vgs: 6 V;
  • temperatura operativa di giunzione (Tj): da -40° C a +150° C;
  • frequenza di commutazione molto alta;
  • misure di 4.6 x 2.6 mm;
  • resistenza termica: 0.45° C/W.
Figura 2: il GaN EPC2032

In figura 3 è possibile osservare il riepilogo delle rispettive caratteristiche riportate nei datasheet ufficiali.

Figura 3: il riepilogo delle caratteristiche dei due GaN

Simulazione del calcolo della Rds(on) e della efficienza

Le prime osservazioni riguardano le misure della Rds(on) in saturazione e, di conseguenza, dell’efficienza statica del dispositivo di potenza. Lo schema applicativo di figura 4.

Figura 4: schema elettrico per il test statico dei GaN

I valori di funzionamento statico del circuito sono i seguenti:

  • Vcc: 100 V;
  • resistenza di carico: 5 Ohm;
  • Vg: 6 V;
  • corrente attraverso il carico: 19.98 A;
  • potenza dissipata dal carico: 1997 Watt circa.

Eseguendo le simulazioni il valore della Rds(on) per i due dispositivi è mostrato in figura 5. Come si può notare, la simulazione ha calcolato, nelle condizioni operative del circuito, i seguenti valori di resistenza statica del dispositivo, confermando le caratteristiche generali riportate dai datasheet ufficiali:

  • GS61008T: 0.0061167 Ohm (6.1 mOhm);
  • EPC2032: 0.00285307 Ohm (2.8 mOhm).
Figura 5: il valore della Rds(on) del GaN GS61008T e dell’EPC2032

Anche l’efficienza del circuito è molto interessante, per entrambi i dispositivi. I calcoli derivanti dalle simulazioni sono mostrate nelle formule della figura 6. In particolare, con il circuito in esame, la loro efficienza media è pari a:

  • GS61008T: 99.8778%;
  • EPC2032: 99.935%.

Si tratta di valori molto alti che minimizzano le perdite di conduzione e contribuiscono a ottenere sistemi di potenza molto funzionali. In queste condizioni, i GaN restano praticamente freddi durante il loro lavoro, sebbene la giunzione Drain Source sia attraversata da una corrente di 20 Ampere. La dissipazione dei due dispositivi, infatti, è pari a:

  • GS61008T: 2.44 Watt;
  • EPC2032: 1.29 Watt.
Figura 6: il calcolo dell’efficienza del circuito statico con i due dispositivi

E’ interessante notare le altissime efficienze statiche con qualsiasi tipologia di carico applicato all’uscita del circuito. Il grafico della figura 7 mostra l’efficienza del GaN GS61008T e del GaN EPC2032, paragonati anche a quella del MOSFET IRF530. La percentuale del rendimento è estremamente alta, analizzando una resistenza ohmica compresa tra 1 Ohm e 101 Ohm. La scansione dei valori di resistenza è eseguita attraverso la direttiva SPICE:

.step param LOAD 1 101 2

Figura 7: il grafico dell’efficienza dei dispositivi con uno “Sweep” dei valori del carico

Dipendenza RDS(on) dalla temperatura

Purtroppo la temperatura influisce sempre su qualsiasi componente elettronico. Anche i GaN sono sottoposti a una variazione delle condizioni operative al variare della temperatura. Per fortuna i modelli GaN esaminati minimizzano tali cambiamenti. Il grafico della figura 8 mostra la dipendenza della Rds(on) dei due dispositivi dalla temperatura di giunzione. La simulazione prevede una osservazione della temperatura compresa tra -55° C e +150° C. Benché il valore della resistenza della giunzione D-S non sia lo stesso in tutte le condizioni operative, l’efficienza del circuito è costantemente molto alta, maggiore del 99.7% in tutti i casi. In poche parole il grafico evidenzia il fatto che le prestazioni dei dispositivi di commutazione decrescono leggermente all’aumentare della temperatura.

Figura 8: il grafico della dipendenza della RDS(on) dalla temperatura di giunzione

Caratteristica Ids vs. Vds del MOSFET GS61008T

Una caratteristica estremamente interessante da simulare è quella che evidenzia l’andamento della corrente di Drain in relazione alla tensione Vds, alle diverse polarizzazioni del Gate. Il comportamento del Mosfet cambia in maniera estrema in relazione alla temperatura di giunzione. L’esempio che segue prevede un circuito classico, come quello esaminato in precedenza, nel quale variano i seguenti parametri statici:

• Vds: da 0 V a 20 V con continuità;

• Vg: da 2 V a 6 V con passo di 1 V;

• temperatura di giunzione: 25 V e 150 V.

Si ricorda che per fare variare la Vds è possibile diversificare la tensione di alimentazione V1 oppure modificare il valore resistivo del carico R1. Dal momento che stiamo esaminando le tensioni di Gate Vgs a passo di 1 V, le curve che osserveremo sul grafico si riferiscono alle cinque tensioni di pilotaggio pari a 2 V, 3 V, 4 V, 5 V e 6 V. Le direttive SPICE da impostare nel software di simulazione prevedono, dunque, la scansione dei generatori di tensione V1 e V2, come segue:

.dc V1 0 100 1 v2 2 6 1

Inoltre occorre prevedere anche la seguente direttiva SPICE per impostare la temperatura di sistema, rispettivamente a 25° C e 150° C:

.temp 25

oppure

.temp 150

Eseguendo la simulazione DC il software conferma che il componente lavora meglio con una temperatura più bassa. Una temperatura di giunzione di 25° C permette grandi performance ed efficienze molto alte. A una temperatura limite di 150°C la corrente in transito si riduce drasticamente, praticamente dimezzando il suo valore, anche con diversi valori di tensione sul Gate.

Simulazione ad alta velocità

I dispositivi GaN esaminati in questo tutorial hanno la caratteristica di operare a frequenze estremamente alte. Gli esempi che seguono hanno lo scopo di verificare che le veloci commutazioni avvengano effettivamente senza problemi sul carico. Lo schema mostrato in figura 9 mostra un semplice esempio in cui il terminale “Gate” dei GaN è sottoposto a un segnale a onda quadra dalla frequenza di 1 MHz, una frequenza estremamente alta per essere trattata come semplice commutazione digitale. Ma con queste tipologie di applicazioni, tutto ciò diventa realtà.

Figura 9: lo schema elettrico per il test ad alta frequenza dei GaN

I parametri statici sono gli stessi dello schema precedente. Una alimentazione di “Drain” di 100 V su un carico di 5 Ohm. Il segnale a onda quadra avviene sottoponendo il terminale “Gate” del dispositivo a una tensione pulsante di 1 MHz a 6 V. Si ottiene una corrente quadra pulsante della stessa frequenza sul carico di ben 20 A. La figura 10 mostra, rispettivamente, i grafici dei segnali relativi alla potenza dissipata dal carico, alla tensione sul “Drain” e alla tensione sul “Gate”. Sul grafico della tensione sul “Drain” (di colore blu) , si può notare la formazione di un “ginocchio” che segnala l’avvicinamento del limite pratico della velocità di commutazione, oltre il quale il transistor non riesce più a “seguire” esattamente il segnale d’ingresso.

Figura 10: i segnali pulsanti del circuito di commutazione

Con l’uso di una antenna accordata, il segnale ad alta frequenza è trasmesso in aria sotto forma di onda elettromagnetica, che può raggiungere anche distanze importanti. Ovviamente tale circuito non può considerarsi come un vero e proprio trasmettitore radio, in quanto mancherebbero le basilari caratteristiche per essere tale. Inoltre le perdite per disaccoppiamento di impedenza sarebbero molto grandi e le armoniche prodotte disturberebbero le frequenze superiori, come si può notare dallo spettrogramma di figura 11. Si può notare la frequenza fondamentale di 1 MHz a 33 dB, le armoniche pari (di ampiezza minore) e le armoniche dispari (di ampiezza maggiore).

Figura 11: lo spettrogramma del segnale radio trasmesso dal circuito

Conclusioni

Per l’utilizzo dei GaN si consiglia caldamente la consultazione dei datasheet ufficiali, allo scopo di non superare i massimi assoluti imposti dai costruttori e di raggiungere le massime performance dei dispositivi. Si potrebbero fare altri esempi di simulazione come, ad esempio, il controllo e la misura della corrente di “Drain” modificando la tensione di “Gate”, oppure la variazione della efficienza del circuito in relazione alla temperatura. A ogni modo, occorre considerare che oggi i GaN sono dispositivi di commutazione estremamente veloci, robusti e potenti e nel futuro potranno permettere la realizzazione di automobili e convertitori sempre più performanti.

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