Construya fuentes de alimentación de densidad de alta energía con etapas de potencia eGaN

Las fuentes de alimentación en modos de conmutación de densidad de alta energía (SMPS) pueden acelerar la carga de la batería, reducir el tamaño de los microinversores solares y cumplir con los requisitos de la demanda de potencia de granja de servidores, todo sin generar un calor excesivo. Sin embargo, los ingenieros ahora están alcanzando los límites de desempeño de los MOSFET e IGBT de silicio que forman los elementos de conmutación primarios de los SMPS convencionales. En su lugar, se pueden usar los transistores construidos a partir de nitrurio de galio de modo de mejora (eGaN), un semiconductor de banda prohibida ancha, para superar los límites de velocidad de conmutación y eficiencia de los dispositivos de silicio.

Anteriormente, el costo y la disponibilidad de los transistores eGaN impedía su uso en todo menos en las aplicaciones de fuente de alimentación más esotéricas, pero una comercialización más amplia resolvió dichas dificultades. Ahora, los transistores eGaN son una opción para una gama más amplia de aplicaciones.

Este artículo describe las ventajas de las fuentes de alimentación de alta frecuencia con base en los componentes de conmutación eGaN en comparación con aquellos basados en MOSFET o IGBT de silicio convencional (Si). Luego, se presentan los lineamientos sobre cómo construir diseños SMPS aptos para aplicaciones como carga de batería o granjas de servidores que usen etapas de potencia eGaN de EPC, Texas Instruments y Navitas Semiconductor.

Beneficios de la alta frecuencia

Las SMPS convencionales normalmente utilizan frecuencias de conmutación que varían de decenas a cientos de kilohercios (kHz). El ciclo de trabajo de la modulación por ancho de pulsos (PWM) de la frecuencia base determina el voltaje de salida de la fuente de alimentación.

El beneficio clave de una frecuencia alta conmutable es una reducción en el tamaño de los componentes periféricos, como inductores, transformadores y resistores. Esto le permite al diseñador reducir los diseños para la misma potencia de salida, lo que aumenta la densidad de energía. Además, se reduce la ondulación de voltaje y corriente en la salida de la SMPS, lo que disminuye el riesgo de interferencia electromagnética (EMI), así como el costo y el tamaño de los circuitos de filtración.

Sin embargo, los MOSFET e IGBT de alimentación de silicio convencionales conmutan de forma relativamente lenta y disipan potencia significativa cada vez que se encienden y apagan los dispositivos. Estas pérdidas se multiplican a medida que la frecuencia aumenta, lo que reduce la eficiencia y aumenta las temperaturas del chip. La combinación de conmutación lenta y pérdidas de conmutación altas le pone un límite a la frecuencia de conmutación práctica de las SMPS de hoy.

Los diseñadores pueden superar este límite al utilizar los semiconductores de banda ancha prohibida. De estos, GaN es la tecnología más probada y accesible para esta aplicación, siendo eGaN una versión más refinada de GaN.

Comparación del silicio con GaN

GaN ofrece muchas ventajas sobre el silicio, incluyendo muchas relacionadas con una movilidad más alta de los electrones del material. Una movilidad de electrones más alta le otorga al semiconductor un voltaje de ruptura más alto (sobre 600 voltios) y “densidad de corriente” superior (amperios/centímetros² (A/cm²)). Otra ventaja del GaN es que los transistores fabricados con este material no muestran una carga de recuperación inversa, que es un fenómeno que puede llevar a una sobretensión de regulación de corriente alta (sobrecresta).

Aunque estas características son importantes para el diseñador de fuentes de alimentación, quizás la más importante es que la alta movilidad de electrones permite a los transistores de GaN conmutar en aproximadamente un cuarto del tiempo de un MOSFET de silicio. Adicionalmente, cada vez que el dispositivo GaN conmuta, las pérdidas son de 10 a 30 % de las de un transistor de silicio para una frecuencia y corriente de conmutación dada. Como resultado, se pueden controlar los transistores de alta movilidad de electrones GaN (HEMT) a frecuencias mucho más altas que los dispositivos de MOSFET de silicio, IGBT o carburo de silicio (SiC) (figura 1).

Figura 1: Los HEMT de GaN habilitan fuentes de alimentación en modo de conmutación de frecuencias más altas que lo dispositivos de silicio o SiC. (Fuente de la imagen: Infineon)

Ha sido difícil que los HEMT de GaN se hagan populares por dos razones clave. En primer lugar, los dispositivos son esencialmente transistores de efecto de campo en modo de reducción (FET), así que el modo por defecto es “encendido”. En contraste, los MOSFET de silicio son dispositivos de modo de mejora con un modo por defecto “apagado”. Por consiguiente, los HEMT de GaN requieren que se les añadan redes de corriente de polarización cuidadosamente adaptadas para un funcionamiento óptimo. En segundo lugar, se fabrican los transistores utilizando un proceso diferente a las técnicas antiguas de alto volumen utilizadas para el silicio, lo que los hace más caros. Esta complejidad de diseño y los altos costos han limitado las aplicaciones de los HEMT de GaN en las SMPS de alta gama.

Pero recientemente se han comercializado los HEMT de GaN y se está eliminando la necesidad de las redes de corriente de polarización. Por otra parte, los vendedores de chips han introducido controladores CI de potencia integrados, con base en los HEMT de GaN, que simplifican el diseño. También, los niveles de producción elevados han permitido disminuir los costos de los dispositivos eGaN.

Soluciones GaN integradas

En los diseños de las SMPS de alta gama, donde se usaban anteriormente los HEMT de GaN, los altos precios obligaban a los diseñadores a limitar el uso de los dispositivos a transistores de potencia, y luego revertir los MOSFET de silicio para los controladores de puerta. Aunque se lograron algunas ganancias de desempeño en comparación con los diseños “completamente de silicio”, los elementos de silicio en el diseño combinado comprometían la frecuencia de conmutación máxima. Del mismo modo, debido a que el GaN y el silicio utilizan tecnologías de procesamiento diferentes, el controlador de puerta y los transistores de potencia tenían que fabricarse como componentes separados, lo que aumentaba el costo y el espacio de la placa de CI.

Los precios más bajos del eGaN han permitido que los fabricantes de chips aborden ambos problemas. Texas Instruments, por ejemplo, ofrece su etapa de potencia eGaN LMG3411R070 de 70 milliohmios (mΩ) y 600 voltios con controlador de puerta integrado (figura 2).

Figura 2: El LMG3411R070 de Texas Instruments integra una etapa de potencia eGaN de 70 mΩ y 600 voltios con su controlador. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El chip puede conmutar 100 voltios/nanosegundo (ns) con sobrecresta casi nula (figura 3). Esto se compara con las velocidades de respuesta de 3 a 10 voltios/ns de los MOSFET de alimentación de silicio convencionales.

Figura 3: Como lo demostró de la etapa de potencia de eGaN integrada del LMG3411R070 de TI, los transistores de alimentación de eGaN pueden manejar velocidades de respuesta mucho más altas que los MOSFET con sobrecresta mínima. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Navitas Semiconductor fabrica una clase similar de producto, el NV6113. El producto integra un HEMT de eGaN de 300 mΩ y 650 voltios, un controlador de puerta y una lógica asociada en un paquete QFN de 5 x 6 milímetros (mm). El NV6113 puede soportar una velocidad de respuesta de 200 voltios/ns y opera hasta a 2 megahercios (MHz).

Mientras que dispositivos como las etapas de potencia de GaN de TI y de Navitas se pueden implementar en paralelo para su uso en la popular topología de medio puente (figura 4), hay otros productos disponibles que integran dos transistores de potencia (y controladores de puerta asociados) en el mismo chip.

Figura 4: Se puede implementar el Navitas NV6113 en paralelo con las topologías de medio puente que se muestran aquí. (Fuente de la imagen: Navitas Semiconductor)

EPC, por ejemplo, introdujo recientemente su EPC2115, un controlador CI integrado que está compuesto por dos transistores de potencia eGaN monolíticos de 88 mΩ y 150 voltios, cada uno con un controlador de puerta optimizado (figura 5). El EPC2115 viene en un paquete de BGA de inductancia baja de 2.9 x 1.1 mm y puede operar hasta 7 MHz.

Figura 5: El controlador IC de eGaN integrado de EPC incluye dos transistores de potencia, cada uno con su controlador de puerta optimizado. (Fuente de la imagen: EPC)

Diseñar una fuente de alimentación utilizando los HEMT de eGaN generalmente sigue los mismos principios del diseño que utiliza los MOSFET de silicio, pero la frecuencia de operación más alta tiene un impacto en la selección de los componentes periféricos.

Selección de los componentes periféricos

Para ilustrar el impacto de la frecuencia en la selección de los componentes, considere el capacitador de entrada para una simple topología reductora con SMPS de CC a CC.

Los capacitadores de entrada reducen la amplitud de la fluctuación de voltaje de entrada y, a su vez, reducen la fluctuación de voltaje a un nivel que puede ser manejado por capacitadores relativamente baratos sin una disipación de potencia excesiva. Reducir la ondulación de la fluctuación de voltaje pico a pico por debajo de los 75 milivoltios (mV) es una buena regla general para mantener las corrientes en los capacitadores de reducción dentro de los límites aceptables. El capacitador de entrada normalmente es un dispositivo de cerámica porque tienen la resistencia equivalente en serie (ESR) extremadamente baja necesaria para reducir de forma efectiva la ondulación de voltaje.

Se puede usar la Ecuación 1 para determinar el valor necesario del capacitador de entrada de cerámica para reducir la ondulación de la fluctuación de voltaje pico a pico a una magnitud dada:

Donde:

• C_MÍN es la capacitancia de entrada de cerámica mínima requerida en microfaradios (μF)
• f_SW es la frecuencia de conmutación en kHz
• V_P(máx) es la ondulación de voltaje pico a pico máxima permitida
• I_OUT es la corriente de carga de salida en estado estacionario
• dc es el ciclo de trabajo (según la definición anterior)
• (De la Referencia 1)

Hacer el cálculo con algunos de los valores de trabajo típicos para las etapas de potencia a base de silicio de alta gama da:

• V_IN = 12 voltios
• V_OUT = 3.3 voltios
• I_OUT = 10 A
• η = 93 %
• f_SW = 300 kHz
• dc = 0.296
• V_P(máx) = 75 mV

C_MÍN calculado = 92 µF

Repetir el cálculo para una etapa de potencia de eGaN, como el dispositivo de Navitas, que opera a 2 MHz, con una eficiencia ligeramente mejorada y otras condiciones de funcionamiento similares, da:

• V_IN = 12 voltios
• V_OUT = 3.3 voltios
• I_OUT = 10 A
• η = 95 %
• f_SW = 2000 kHz
• dc = 0.289
• V_P(máx) = 75 mV

C_MÍN calculado = 13 µF

La reducción en el C_MÍN permite el uso de un componente más pequeño.

Aunque la conmutación rápida de los HEMT de eGaN es generalmente más favorable, también introduce algunos desafíos de diseño únicos. El más importante de ellos es el problema asociado con una velocidad de respuesta muy abrupta.

Control de la velocidad de respuesta

Una velocidad de respuesta rápida (dV/dt) puede introducir problemas como:

• Mayor pérdida de conmutación
• EMI radiada y conducida
• Interferencia en algún otro lado del circuito disociado del nodo del interruptor
• Sobretensión de voltaje y sobrecresta en el nodo del interruptor debido a la inductancia del bucle de potencia y otros parásitos

Estos problemas se hacen más evidente durante las condiciones de arranque o conmutación dura.

Al utilizar el producto de Navitas, una solución simple es controlar la velocidad de respuesta en el encendido al añadir un resistor entre el capacitador C_VDD y el pin V_DD (vea la figura 4 de nuevo). Este resistor (R_DD) establece la corriente de encendido del controlador de puerta integrado y determina la velocidad de respuesta pico de apagado (descendente) del agotamiento del FET de potencia (figura 6).

Figura 6: El resistor R_DD establece la corriente de encendido del NV6113 y determina la velocidad de respuesta pico de apagado (descendente) del agotamiento del FET de potencia. (Fuente de la imagen: Navitas Semiconductor)

El LMG3411 también es compatible con el ajuste de la velocidad de respuesta al conectar un resistor (R_DRV) a la fuente de potencia del transistor (vea la figura 2 de nuevo). La elección del resistor establece la velocidad de respuesta del voltaje de agotamiento entre aproximadamente 25 y 100 voltios/ns.

La elección de la velocidad de respuesta es, en última instancia, una compensación. Las velocidades más rápidas disminuyen la pérdida de potencia, ya que se disminuye la duración del tiempo en que el interruptor conduce de forma simultánea (e ineficiente) la corriente alta, pero otras características de desempeño decaen. Una regla general es apuntar a la velocidad más rápida que mantenga la EMI, la sobretensión y la sobrecresta dentro de las especificaciones.

Un segundo desafío de diseño es el riesgo de los eventos de sobrecorriente asociados con el funcionamiento de alta frecuencia.

La importancia de la protección contra sobrecorrientes

La ventaja clave de diseñar una SMPS con frecuencias de conmutación más altas es reducir el tamaño de los componentes pasivos y, a su vez, la densidad de potencia en general. Una desventaja es que la densidad de potencia aumentada multiplica el potencial de daño en caso de un evento de sobrecorriente. Los eventos de sobrecorriente son un riesgo constante para las SMPS. Entre otros problemas, los picos de sobrecorriente pueden originar una activación falsa causada por una inductancia parásita de la trayectoria fuente del tablero de CI.

Aunque la protección contra sobrecorriente rápida (OCP) es importante para las SMPS que usan los MOSFET tradicionales, es incluso más importante para los HEMT de eGaN porque:

• Para el mismo voltaje de bloqueo y la resistencia en el estado, el área del HEMT de eGaN es mucho más pequeña, lo que dificulta mucho más la disipación del calor acumulado durante un evento de sobrecorriente
• Se debe detectar la sobrecorriente mientras el HEMT de eGaN está funcionando en la región lineal, de otro modo, el dispositivo entra rápidamente en saturación, lo que causa una disipación de potencia excesiva y daños

Un enfoque convencional a la OCP es utilizar un transformador de detección de corriente, resistores de derivación o circuitos de detección de desaturación. Desafortunadamente, estas causas pueden afectar de forma adversa el desempeño del sistema al aumentar las inductancias parásitas en el bucle de potencia, lo que a su vez necesita una reducción en la velocidad de respuesta y un aumento resultante en la disipación de potencia. Además, los dispositivos discretos, como transformadores de detección o resistores de derivación, añaden costo y ocupan espacio en el tablero.

Un enfoque alternativo para la OCP es detectar el agotamiento fuente del voltaje (V_DS) del FET de GaN utilizando elementos de detección, un desfasador de nivel para informar la señal al controlador y un circuito de detección. Este método tiene la ventaja de no generar las inductancias y resistencias parásitas que afectan el desempeño del circuito, pero le falta precisión principalmente debido a la falta del coeficiente de temperaturas altas del GaN.

Una tercera opción es seleccionar una etapa de potencia de eGaN que incluya una opción de OCP. Esto elimina las desventajas de los dos enfoques mencionados anteriormente. El LMG3411 de TI es un ejemplo de producto que incluye esta característica. El circuito de protección del LMG3411 puede apagar los HEMT de eGaN en menos de 100 ns en caso de que se detecte una sobrecorriente. Cuando la entrada PWM vuelve a ser baja en el siguiente ciclo de trabajo, se elimina la señal de falla. Esto permite que el HEMT de eGaN se encienda normalmente en el siguiente ciclo, lo que minimiza la interrupción en la salida.

Tabla: Resumen de las opciones de OCP para las etapas de potencia de los HEMT de GaN Seleccionar una etapa de potencia con una OCP integrada es la solución más simple para un diseñador para quien esta tecnología sea nueva. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Conclusión

La demanda en aumento de las SMPS de densidad de alta energía para aplicaciones como conversores solares y granjas de servidores, en combinación con la disminución de los costos por servicio, ha hecho a los HEMT de eGaN una opción atractiva para un rango más amplio de diseños de fuentes de alimentación. Aunque diseñar con los HEMT de eGaN puede ser engañoso, la introducción de las etapas de potencia de los HEMT de eGaN que integran los controladores de puerta con los transistores de potencia ha facilitado la incorporación de la tecnología para los próximos diseños de densidad de alta potencia de los diseñadores de SMPS.

Referencia

1. “Input and Output Capacitor Selection,” Jason Arrigo, Texas Instruments, informe de aplicación SLTA055, febrero 2006.