I transistor GaN sono sempre più utilizzati in svariati campi: nel settore automobilistico, per l’alimentazione elettrica di potenza e per la conversione e l’utilizzo della corrente. Questi componenti ben presto sostituiranno i rispettivi predecessori. Vediamo come gestire al meglio le diverse condizioni di funzionamento, anche critiche, in modo da ottimizzare le prestazioni dei circuiti ottenendo eccellenti raffreddamenti.

Introduzione

Il transistor GaN è uno dei componenti più “freddi” che esistano. La sua bassa resistenza di giunzione fa si che, anche ad alte correnti e a funzionamenti estremi, s’instauri una bassa temperatura consentendo basse perdite di energia. Questo è uno dei motivi principali per il quale tale materiale è largamente utilizzato in moti settori critici, dove il passaggio di alta corrente è la prerogativa principale. Per una gestione termica efficiente esistono, naturalmente, opportune tecniche da seguire, sia a livello progettuale che costruttivo.

Parametri che dipendono dalla temperatura

Nei transistor GaN di potenza, in genere, i parametri del componente su cui la temperatura gioca un ruolo importante sono essenzialmente due:

• la Rds(on) con le relative perdite di conduzione;
• la transconduttanza con le relative perdite di commutazione.

Come si vede in figura 1, il parametro Rds(on) dipende fortemente dalla la temperatura di esercizio. Il GaN di riferimento è il modello GPIHV30SB5L, caratterizzato dalle seguenti proprietà principali:

• N-channel;
• 1200 V;
• RdsON tipica: 0.065 Ohm (a Vgs=6V e Id=2.5A);
• 30 A;
• temperatura massima di giunzione: 150° C;
• bassa capacità d’ingresso;
• particolarmente adatto per applicazioni di commutazione.

Il grafico mostra un innalzamento della resistenza drain-source all’aumentare della temperatura. Un alto valore di resistenza di giunzione corrisponde a una minore efficienza del componente, per cui è sempre consigliabile mantenerlo il più freddo possibile.

Figura 1: grafico temperatura Vs. Rds(on) del GaN GPIHV30SB5L

Le ragioni per mantenere una temperatura bassa sono molteplici:

• per impedire la fuga termica nelle peggiori condizioni operative massime;
• per ridurre le perdite in generale;
• per incrementare le prestazioni e l’efficienza del sistema;
• per aumentare l’affidabilità del circuito.

Una buona progettazione termica influisce positivamente anche nella variazione della densità di potenza. La scelta di un buon substrato contribuisce certamente a una migliore dissipazione del calore rendendo possibile la riduzione della superficie del radiatore, specialmente per le applicazioni di potenza.

Metodi di commutazione

L’implementazione di diversi metodi di commutazione implica inevitabilmente differenze progettuali e, soprattutto, di prestazioni finali. I principali sono “ZVS soft switching mode” e “Hard switching mode”. Il trasferimento di calore avviene principalmente in tre differenti modalità:

• per conduzione, attraverso il contatto diretto;
• per convezione, per mezzo di un fluido come l’aria o l’acqua;
• per radiazione, con le onde elettromagnetiche.

La figura 2 riassume chiaramente il processo di trasferimento del calore. Le varie componenti del sistema si comportano proprio come delle resistenze elettriche, attraverso le quali non è la corrente a incontrare un ostacolo nel passaggio ma è il calore. Dalla giunzione al dissipatore la cessione di calore avviene per conduzione, mentre dal dissipatore all’ambiente circostante si verifica per convezione.

Figura 2: il calore passa dalla giunzione all’ambiente circostante, attraverso diversi mezzi

Tecniche di montaggio

Il montaggio fisico di un GaN su un PCB, sia dal punto di vista posizionale, elettrico e strategico, influisce in modo determinante sul grado di dissipazione del calore. A parità di condizioni operative, la differente dislocazione dei componenti e dei dissipatori determina una differenza di comportamento termico dell’intero sistema. Per l’utilizzo di due transistor GaN, si consiglia di utilizzare un piccolo dissipatore di calore con foro centrale per vite di tipo M3. In questo modo la pressione viene bilanciata sui due componenti (figura 3a). Tuttavia non si deve esagerare sullo schiacciamento del dissipatore sui GaN, pena un pericoloso aumento dello stress meccanico. Se è essenziale l’utilizzo di un dissipatore di calore più grande, è necessario praticare due o più fori, evitando al massimo la formazione di curvature o torsioni dei supporti di montaggio (figura 3b). I componenti SMD sono quelli che soffrono di più i piegamenti. I fori dovrebbero essere applicati vicino ai componenti di commutazione, per aumentare l’aderenza alle superfici più fredde.

Figura 3: uso dei dissipatori con i GaN

Anche se la progettazione e il design dei circuiti di potenza sono un’arte a tutti gli effetti, occorre tenere sempre d’occhio le normative. Con i dissipatori di calore, si devono soddisfare i requisiti dettati dalle norme che riguardano la dispersione del calore e le minime distanze dei componenti e delle piste sul circuito. Nelle zone in cui le distanze devono soddisfare gli standard normativi, si devono utilizzare materiali termici quali interfacce, per coprire il bordo del dissipatore di calore (TIM). Questo per migliorare l’accoppiamento termico tra le due parti. Inoltre si eviti di piazzare componenti THC (Through Hole Components) vicino ai dispositivi GaN. Per ottimizzare gli spazi si può adottare un piedistallo per alzare il dissipatore di calore, al fine di consentire il posizionamento dei componenti SMT proprio sotto il dissipatore stesso (vedi figura 4).

Figura 4: alzando il dissipatore di calore si ottimizzano gli spazi

Collegamento in parallelo di GaN

Per innalzare a dismisura la potenza del circuito è possibile collegare in parallelo più transistor GaN, come evidenziato anche in figura 5. Il carico può essere molto potente e le correnti di commutazione possono essere enormemente innalzate. Si viene a creare una rete termica molto efficiente, nella quale sia alla resistenza termica che elettrica diminuiscono drasticamente. Con queste metodologie anche i sistemi di raffreddamento devono risultare molto funzionali. Diverse sperimentazioni possono prevedere differenti sistemi di dissipazione termica, che contemplano le seguenti prove:

• convezione naturale senza dissipatore;
• aria fredda forzata con dissipatori separati;
• aria fredda forzata con dissipatore comune in parallelo.

Combinando assieme le caratteristiche massimali del dispositivo con le migliori soluzioni termiche, è possibile incrementare la potenza massima raggiungibile dal sistema. Questo risultato, infatti, è possibile diminuendo la resistenza termica, tramite il collegamento parallelo tra i transistor GaN.

Figura 5: collegando in parallelo i transistor GaN si aumenta la potenza e diminuiscono le resistenze

Modelli SPICE

GaN Systems mette a disposizione due differenti modelli SPICE, il modello L1 e L3 (vedi figura 6). Per un funzionamento con implementazioni termiche occorre utilizzare il secondo modello. In questo caso, però, le induttanze parassite risulteranno molto più elevate. Vediamo in dettaglio le differenze tra le due tipologie di modelli:

• il modello L1 dispone di 4 terminali (G, D, S, SS). E’ utilizzato per simulazioni generali di commutazione dove la velocità di elaborazione del simulatore è posta in primo piano;
• il modello L3 dispone di 6 terminali (G, D, S, SS, Tc, Tj). Con esso è aggiunto il modello termico e quello dell’induttanza parassita.

Il modello è basato sulle proprietà fisiche del componente e sulla struttura del dispositivo. Il pin Tj può essere utilizzato come ingresso o uscita, a seconda dello scopo della simulazione. In questa maniera si possono intraprendere due diversi studi:

• utilizzato come ingresso, il pin Tj può essere impostato a un valore costante per verificare il rapporto E(on)/E(off) a uno specifico valore di Tj;
• utilizzato come uscita, il pin Tj può essere verificato sia in modalità statica che transiente.

Figura 6: i modelli SPICE dei transistor GaN

Conclusioni

I GaN transistor offrono eccezionali risultati con ottime possibilità termiche. Per raggiungere le massime prestazioni di potenza, anche in regime dei kilowatts, occorre massimizzare la qualità elettrica e termica del progetto. Se il sistema è analizzato e realizzato bene, può realmente gestire potenze molto alte con temperature relativamente basse. Le tecniche da seguire riguardano diversi parametri come, ad esempio, la posizione, la forma e l’altezza del dissipatore, le forme e le dimensioni delle saldature, la parallelizzazione dei dispositivi GaN e le frequenze di commutazione. Gli esemplari dei transistor GaN stanno aumentando sempre più, sul mercato, e saranno caratterizzate da maggiori tensioni e correnti sopportate e minori resistenze di giunzione, per soddisfare tutte le richieste e le esigenze delle aziende, nel campo dell’alta potenza.