Commander des FET GaN avec des contrôleurs conçus pour des MOSFET silicium

Les dispositifs au nitrure de gallium (GaN) offrent des avantages significatifs en termes de performances et de rendement par rapport aux composants MOSFET silicium traditionnels dans les applications de puissance. Ils offrent la densité plus élevée, la commutation plus rapide et le rendement énergétique requis dans un large éventail d'industries. Cependant, certaines applications présentent des défis de conception importants.

Qu'il s'agisse de chargeurs USB-C compacts, de chargeurs embarqués pour véhicules électriques, d'énergie solaire ou d'applications de data centers, les concepteurs souhaitent exploiter la technologie de semi-conducteurs GaN pour concevoir des produits plus compacts, plus légers et plus froids.

En raison des vitesses de commutation élevées des composants GaN, les concepteurs sont confrontés à de nombreux défis, notamment l'inductance parasite, la nécessité d'un contrôle de grille plus précis, le courant de fuite de grille et les chutes de tension de conduction inverse.

Les contrôleurs GaN spécialement conçus constituent un choix idéal pour la conception de certaines applications basées GaN. Par exemple, Analog Devices, Inc. propose une gamme de contrôleurs de puissance GaN. Les concepteurs peuvent tirer parti de circuits d'attaque FET GaN simples dédiés, tels que le circuit d'attaque GaN 100 V en demi-pont LT8418 avec un commutateur d'amorçage intelligent intégré (Figure 1).

Figure 1 : Circuit d'attaque GaN en demi-pont LT8418 d'ADI. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Ce dispositif intègre des circuits d'attaque de grille divisés pour contrôler avec précision les vitesses de balayage des FET GaN lors de l'activation et de la désactivation, supprimant ainsi l'oscillation et améliorant les performances EMI. Il utilise également un boîtier WLCSP pour minimiser l'inductance parasite.

Des contrôleurs plus complexes sont également disponibles, tels que les dispositifs LTC7890 et LTC7891 (Figure 2), des contrôleurs de régulateurs à découpage CC/CC abaisseurs doubles hautes performances pour FET GaN.

Figure 2 : Contrôleur de régulateur à découpage CC/CC LTC7891 hautes performances d'ADI pour FET GaN. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Contrairement aux solutions MOSFET silicium, les dispositifs LTC7890/LTC7891 ne requièrent ni diodes de protection ni composants externes supplémentaires. Leur tension de commande de grille peut être ajustée avec précision de 4 V à 5,5 V pour optimiser les performances et permettre l'utilisation d'autres FET GaN ou de MOSFET de niveau logique.

Quand un contrôleur silicium est la seule option

Il n'existe pas de contrôleurs GaN spécifiquement disponibles pour certains composants critiques, tels que les contrôleurs abaisseurs-élévateurs à 4 commutateurs. Les concepteurs peuvent adapter les contrôleurs existants conçus pour les MOSFET pour commander les FET GaN afin d'améliorer la puissance et le rendement, à condition de procéder avec prudence. L'utilisation de contrôleurs axés silicium pour les applications GaN exige une attention particulière lors du choix des composants et de la conception au niveau carte, et peut impliquer des circuits supplémentaires.

Dans les convertisseurs haute puissance, les circuits d'attaque de grille traditionnels produisent souvent des tensions supérieures à 5 V — typiquement entre 7 V et 10 V, parfois plus. Cela pose un problème lorsqu'il s'agit de commander des FET GaN, qui ont généralement une tension de grille nominale maximum de 6 V seulement. Le dépassement de cette limite, même brièvement, en raison de pics de tension ou d'oscillations dus à une inductance parasite sur le circuit imprimé, peut endommager de manière permanente les dispositifs GaN.

Les concepteurs peuvent éviter ces problèmes en choisissant le contrôleur approprié et en accordant une attention particulière à la configuration du circuit imprimé, notamment autour des chemins de retour de la grille et de la source, afin de maintenir l'inductance à un niveau aussi bas que possible et de réduire les dépassements de tension indésirables.

De nombreux circuits d'attaque MOSFET utilisent des circuits d'attaque de grille silicium non régulés qui peuvent dépasser la tension maximale absolue des FET GaN. Les considérations de conception incluent la gestion de la tension de commande de grille, la régulation de l'alimentation d'amorçage et l'optimisation du temps de récupération.

Un dispositif abaisseur-élévateur à 4 commutateurs doit utiliser un contrôleur de grille de 5 V pour éviter une surtension accidentelle des FET GaN. Il est également important d'inclure des composants de protection — tels que des circuits de blocage ou des limiteurs de tension de grille — pour protéger la grille contre les surtensions accidentelles.

Le LT8390A d'ADI peut fonctionner comme un contrôleur de grille de 5 V en utilisant des diodes Zener de 5,1 V placées en parallèle avec les condensateurs d'amorçage (Figure 3). Cela permet de bloquer la tension de grille au niveau de commande recommandé, de sorte qu'elle reste dans une plage de fonctionnement sûre. Pour une protection supplémentaire, des résistances de 10 Ω peuvent être ajoutées en série avec les dispositifs d'amorçage pour réduire les oscillations pouvant être causées par les nœuds de commutation haute puissance et très rapides.

Figure 3 : Ce schéma simplifié illustre le contrôleur abaisseur-élévateur à 4 commutateurs LT8390A utilisant des diodes Zener de 5,1 V (D5 et D6) et des résistances de 10 Ω pour la protection de tension lors de la commande de FET GaN. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Conclusion

Les contrôleurs MOSFET silicium, tels que le contrôleur abaisseur-élévateur LT8390A d'ADI, peuvent être adaptés pour commander les FET GaN de manière sûre et efficace, permettant aux concepteurs de créer des applications GaN même lorsqu'aucun contrôleur GaN CC/CC spécifiquement conçu n'est disponible.

Pour plus d'informations, regardez le webinaire Concevoir avec le GaN : surmonter les défis d'alimentation.