As ferramentas e os componentes de potência em GaN da ADI abastecem oportunidades de projeto

Os semicondutores de nitreto de gálio (GaN) percorreram um longo caminho desde que se tornaram comercialmente viáveis como diodos emissores de luz (LEDs) azul altamente brilhante no início da década de 1990 e, posteriormente, como uma tecnologia central para leitores de discos ópticos Blu-ray. Passariam quase duas décadas até que a tecnologia fosse comercialmente viável para transistores de efeito de campo (FETs) com alta eficiência energética.

O GaN representa atualmente um dos segmentos de crescimento mais rápido do setor de semicondutores, com estimativas de crescimento anual composto que variam de 25% a 50%, impulsionado pela demanda por dispositivos com maior eficiência energética para atender às metas de sustentabilidade e eletrificação.

Os transistores de GaN podem ser usados para projetar dispositivos menores e de maior eficiência do que os transistores de silício. Inicialmente utilizado para sistemas amplificadores de micro-ondas de alta potência, as economias de escala na fabricação de GaN e a capacidade de criar amplificadores pequenos e mais potentes expandiram o uso para criar um mercado de dispositivos multibilionário que abrange aplicações de consumo, industriais e militares.

Acredita-se que os MOSFETs de silício tenham atingido seus limites teóricos para a eletrônica de potência, enquanto os FETs de GaN ainda têm um grande potencial para avanços no desempenho. Os semicondutores de GaN usam mais comumente substratos de carbeto de silício (SiC), seguidos de silício, que é mais econômico, ou diamante, que é o de melhor desempenho e mais caro. Os dispositivos de GaN operam em temperaturas mais altas com maior mobilidade e velocidade de elétrons do que os dispositivos baseados em silício e com carga de recuperação reversa baixa ou nula.

Os semicondutores de potência GaN apresentam cerca de cinco vezes a densidade de potência dos semicondutores amplificadores de potência de arseneto de gálio (GaAs). Com uma eficiência energética de 80% ou mais, os semicondutores GaN oferecem potência, largura de banda e eficiência superiores às alternativas como GaAs e semicondutores-metal-óxido com difusão lateral (LDMOS). A tecnologia agora é utilizada em diversas aplicações, desde adaptadores de energia de carregamento rápido até dispositivos de detecção e alcance de luz (LiDAR) incorporados a sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) para automóveis.

Os datacenters representam outro mercado emergente para dispositivos baseados em GaN, que podem atender aos crescentes requisitos de consumo de energia e resfriamento para reduzir os custos, além de ajudar a lidar com as crescentes disputas ambientais enfrentadas pelas operadoras nas áreas regulatórias e políticas.

Os fabricantes de semicondutores e as empresas de pesquisa de mercado também projetam um mercado crescente para aplicações de baixa e alta tensão em veículos elétricos, desde baterias mais eficientes até inversores de tração de bateria.

Essa é uma área que, até o momento, tem sido dominada por dispositivos SiC, que, assim como o GaN, são classificados como semicondutores de ampla banda proibida (WBG) com alta mobilidade de elétrons que "permitem que os componentes eletrônicos de potência sejam menores, mais rápidos, mais confiáveis e mais eficientes do que seus equivalentes baseados em silício (Si)".O GaN tem uma banda proibida de 3,4 eV, em comparação com 2,2 eV para o SiC e 1,12 eV para o Si.

Os semicondutores de potência GaN e SiC operam em frequências mais altas e têm velocidades de chaveamento mais rápidas e menor resistência à condução do que o silício. Os dispositivos SiC podem operar em tensões mais altas, enquanto os dispositivos GaN oferecem chaveamento mais rápido com menos energia, permitindo que os projetistas reduzam o tamanho e o peso. O SiC pode suportar até 1.200 volts, enquanto o GaN geralmente é considerado mais adequado para até 650 volts, embora dispositivos de tensão mais alta tenham sido introduzidos recentemente.

O GaN pode fornecer cerca de 10 vezes a potência da faixa de frequência em comparação com o GaAs e outros semicondutores (Figura 1).

Figura 1: Comparação da eletrônica de potência na faixa de frequência de micro-ondas. (Fonte: Analog Devices, Inc.)

Considerações de projeto

Estima-se que 70% ou mais da energia elétrica consumida em todo o mundo seja processada por eletrônica de potência. Com as características WBG do GaN, os projetistas podem criar sistemas eletrônicos de potência menores, utilizando maior densidade de potência, eficiência superior e velocidades de chaveamento ultrarrápidas.

A tecnologia possibilita a inovação em vários mercados, incluindo eletrônica de potência, automotivo, armazenamento de energia solar e datacenters, entre outros. Altamente resistentes à radiação, os dispositivos GaN são adequados para aplicações militares e aeroespaciais emergentes.

Alguns projetistas eletrônicos podem ter se afastado dos dispositivos de potência de GaN devido a percepções equivocadas sobre o custo dos materiais. Embora a fabricação do substrato de GaN fosse inicialmente muito maior do que a do Si, essa diferença diminuiu consideravelmente, e a utilização de diferentes substratos permite que os projetistas encontrem a melhor relação entre custo e desempenho.

O GaN sobre SiC oferece o mais amplo potencial de mercado para projetistas com a melhor relação entre custo e desempenho. Entretanto, com as opções de GaN sobre Si e GaN sobre diamante, os projetistas de produtos podem selecionar o substrato mais adequado para atender às necessidades de preço/desempenho de suas organizações e clientes.

Devido às taxas de chaveamento muito altas do GaN, os projetistas precisam prestar atenção especial à interferência eletromagnética (EMI) e como ela pode ser atenuada no layout da malha de potência. Os acionadores de porta ativos, que são essenciais para evitar o sobressinal de tensão, podem reduzir a EMI das formas de onda do chaveamento.

Outro problema importante do projeto é a indutância e a capacitância parasitas que podem resultar em disparos falsos. A maximização das vantagens de desempenho depende do layout ideal das malhas de alimentação laterais e verticais e do conjugado entre a velocidade do acionador e a velocidade do dispositivo.

Os projetistas também precisam otimizar o gerenciamento térmico para evitar o superaquecimento que pode comprometer o desempenho e a confiabilidade. O encapsulamento deve ser avaliado quanto à sua capacidade de reduzir indutâncias e dissipar o calor.

A Analog Devices fornece amplificadores de potência em GaN

Os sistemas eletrônicos exigem a conversão entre a tensão da fonte de energia e a tensão do circuito que precisa ser alimentado. A Analog Devices, Inc. (ADI), empresa líder de longa data no setor de semicondutores, tem como objetivo oferecer o melhor desempenho de amplificadores de potência em GaN do setor, juntamente com suporte, permitindo que os projetistas atinjam as principais metas de desempenho e coloquem suas soluções no mercado mais rapidamente.

Os acionadores de porta e os controladores abaixadores (ou buck) são essenciais para maximizar os benefícios dos dispositivos de potência em GaN. Os acionadores de GaN de meia ponte melhoram o desempenho do chaveamento e a eficiência geral dos sistemas de energia. Os conversores CC-CC abaixadores convertem uma tensão de entrada mais alta em uma tensão de saída mais baixa.

A ADI oferece o LT8418, um acionador de GaN de meia ponte de 100 V que integra os estágios superior e inferior do acionador, controle lógico do acionador, proteções e uma comutador bootstrap (Figura 2). Ele pode ser configurado em topologias síncronas buck ou boost de meia ponte. Os acionadores de porta separados ajustam as taxas de inclinação da ativação e desativação dos FETs GaN para otimizar o desempenho EMI.

Figura 2: Esquema do conversor CC/CC de chaveamento baseado em GaN LT8418 da ADI. (Fonte: Analog Devices, Inc.)

As entradas e saídas do acionador de GaN da ADI apresentam um estado padrão baixo para evitar a ativação falsa dos FETs GaN. Com um rápido atraso de propagação de 10 ns, juntamente com uma correspondência de atraso de 1,5 ns entre os canais superior e inferior, o LT8418 é adequado para conversores CC/CC de alta frequência, acionadores de motor, amplificadores de áudio classe D, fontes de alimentação para datacenter e uma ampla gama de aplicações de potência nos mercados de consumo, industrial e automotivo.

O LTC7890 e o LTC7891 (Figura 3) são controladores reguladores de chaveamento CC-CC de alto desempenho, abaixadores, duplo e simples, respectivamente, para a condução de estágios de potência síncronos em FET de GaN de canal N a partir de tensões de entrada de até 100 V. Com o objetivo de abordar muitos dos desafios que os projetistas enfrentam ao usar FETs de GaN, esses controladores simplificam o projeto da aplicação, pois não exigem diodos de proteção ou outros componentes externos adicionais, normalmente usados em soluções de MOSFET de silício.

Figura 3: Controlador abaixador LTC7891 da ADI. (Fonte: Analog Devices, Inc.)

Cada controlador oferece aos projetistas a capacidade de ajustar com precisão a tensão do acionador de porta de 4 V a 5,5 V para otimizar o desempenho e permitir o uso de diferentes FETs GaN e MOSFETs de nível lógico. Os comutadores de bootstrap, internos e inteligentes, evitam a sobrecarga do pino BOOSTx para as fontes do acionador do lado de alta do pino SWx durante os tempos mortos, protegendo a porta do FET GaN superior.

Ambos os componentes otimizam internamente a temporização do acionador de porta em ambas as bordas de chaveamento para tempos mortos próximos de zero, melhorando a eficiência e permitindo a operação em alta frequência. Os projetistas também podem ajustar os tempos mortos com resistores externos. Os dispositivos estão disponíveis com flancos laterais umedecíveis em invólucros QFN (“quad flat no-lead”). Os esquemas ilustram circuitos de aplicação típicos com as configurações do LTC7890 de 40 condutores, 6 mm x 6 mm (Figura 4) e do LTC7891 de 28 condutores, 4 mm x 5 mm (Figura 5).

Figura 4: Esquema de um circuito típico de aplicação com o LTC7890 da ADI. (Fonte: Analog Devices, Inc.)

Figura 5: Esquema de um regulador abaixador usando o LTC7891 de 28 condutores da ADI. (Fonte: Analog Devices, Inc.)

Os projetistas também podem aproveitar um portfólio de ferramentas de gerenciamento de energia da ADI para atingir as metas de desempenho da fonte de alimentação e otimizar as placas. O conjunto de ferramentas inclui uma calculadora de resistor variável para buck, um configurador de potência da cadeia de sinais e um ambiente de desenvolvimento baseado no Windows.

Conclusão

O GaN é um material semicondutor de transformação usado para produzir componentes com alta densidade de potência, velocidades de chaveamento ultrarrápidas e eficiência energética superior. Os projetistas de produtos podem aproveitar os produtos de acionador de porta em FET GaN da ADI para criar sistemas mais confiáveis e eficientes com menos componentes, o que resulta em sistemas menores com menos espaço e peso.