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Si bien el nitruro de galio (GaN) alguna vez se limitó al ámbito de la investigación, en 2022, los transistores basados ​​en GaN se establecen fácilmente como un componente de energía principal. De hecho, IMS Research prevé que el mercado de semiconductores de GaN superará los mil millones de dólares en 2022.
¿Cuál es la razón principal por la que GaN está en su punto más alto en popularidad? Actuación. En comparación con los FET de silicio, GaN ofrece una movilidad de electrones extremadamente alta, lo que significa resistencias de encendido más pequeñas y velocidades de conmutación significativamente más rápidas que los transistores basados ​​en silicio.

Comparación de un convertidor reductor de 48 V a 12 V con GaN en el diseño óptimo contra un MOSFET de 100 V Si. Imagen utilizada por cortesía de EPC

Sin embargo, los diseñadores no pueden simplemente sacar un FET de silicio, colocar un FET de GaN y esperar cosechar los beneficios de GaN. Conducir los dos dispositivos es diferente, y para desbloquear realmente el potencial de GaN, un ingeniero debe aprender las técnicas necesarias. Para obtener más información sobre cómo diseñar con GaN, nos sentamos con Alex Lidow, CEO de Efficient Power Conversion (EPC).

Revisando los conceptos básicos de PCB, pero para GaN

“Hasta ahora, cuando diseñaba un circuito de potencia, los transistores de potencia eran la característica dominante”, comenta Lidow. “Su resistencia, inductancia y capacitancia eran todas características dominantes. Pero con GaN, los hemos cambiado todos en un orden de magnitud o más ".
El resultado de este cambio de orden de magnitud ha sido un enfoque completamente nuevo en el diseño de circuitos de potencia a nivel de PCB. Curiosamente, en un circuito de GaN, las características dominantes son en realidad la propia PCB, centrándose en el diseño y los parásitos asociados.

Consejo de diseño n. ° 1: revise sus parásitos

El primer consejo de diseño de Lidow para cambiar a transistores basados ​​en GaN es estar atento a los parásitos, en particular a las inductancias parásitas. "La principal demora que vemos es que las personas hacen diseños que tienen muchos parásitos que les generan ruidos y timbres no deseados", explica.
Ahora que los MOSFET ya no son la fuente dominante de parásitos, es necesaria una mayor atención y comprensión de los parásitos de los PCB. La inductancia y capacitancia parasitarias son inevitables en el diseño, pero ciertamente pueden mitigarse.
En un diseño de PCB de referencia proporcionado por EPC, la compañía ilustra cómo minimizar las inductancias parásitas creando el bucle de puerta y el bucle de potencia más pequeño posible. Esto se puede lograr utilizando la capa interna de PCB para formar la ruta de retorno óptima.

Diseño de referencia EPC. Imagen utilizada por cortesía de EPC

Los efectos de la capacitancia e inductancia parásitas también se pueden minimizar con un diseño y blindaje adecuados. La diafonía y el acoplamiento involuntarios se pueden mitigar enrutando trazas sensibles entre los planos de tierra y de potencia, por ejemplo.

Consejo de diseño n. ° 2: cuidado con los imanes

Cuando se trabaja con un diseño de frecuencia más alta, una característica dominante se convierte en los campos magnéticos asociados con la PCB. En convertidores de conmutación de alta velocidad como el convertidor reductor o un convertidor LLC, esto puede afectar significativamente el rendimiento al introducir efectos no deseados como el timbre.
Aquí, Lidow ofrece el consejo número 2: "Preste más atención a los tipos de magnetismo que utiliza", aconseja. También señala que los diseñadores deben ser conscientes de "la interacción de su elección de magnetismo con su elección de topología, su elección de frecuencias y su elección de controladores ".

Una de las formas más efectivas de abordar la EMI y la diafonía es diseñar un plano de referencia sólido, según Signal Consulting. Imagen utilizada por cortesía del Dr. Howard Johnson y Signal Consulting, Inc.

EPC sugiere que cuando se trabaja con PCB multicapa, los diseñadores pueden querer crear un bucle de auto-cancelación de campo magnético de bajo perfil para reducir los efectos del magnetismo. El diseño es clave aquí, donde puede aprovechar el hecho de que una corriente de una dirección específica en una PCB tendrá una corriente igual y opuesta que regresa a su fuente a través del sistema de alimentación y tierra. Las corrientes opuestas crearán campos magnéticos canceladores. Con la formación de múltiples bucles pequeños de cancelación de campo magnético, la energía magnética total, y por lo tanto la inductancia, se reduce significativamente.

Consejo de diseño n. ° 3: Repase el control digital

Con GaN, particularmente la conversión DC-DC, se trata de control digital, explica Lidow. Las soluciones de GaN combinadas con el control digital pueden aumentar la eficiencia al tiempo que reducen el espacio de la placa y los costos del sistema, especialmente para aplicaciones informáticas de alta densidad como los juegos.
La investigación ha demostrado que los convertidores basados ​​en GaN tienden a ser más sensibles a las pérdidas relacionadas con el tiempo muerto debido a la transición de conmutación más rápida de GaN y la alta caída de voltaje inverso. Como resultado, se ha demostrado que la selección incorrecta del valor de tiempo muerto puede contrarrestar su ventaja sobre las soluciones de silicio. El control digital a menudo permite una mayor resolución de alto tiempo y una gestión óptima del tiempo muerto para GaN.

Ejemplo de diagrama de bloques de control de convertidor de 2 fases multilazo, utilizado en este caso para regular ambos inductores al mismo valor. Imagen utilizada por cortesía de EPC

El control digital también permite el uso de controladores de puerta compatibles con GaN. Estos controladores tienden a tener una alta fuerza de transmisión, lo que permite una conmutación rápida y una sujeción de voltaje de puerta de lado alto para protección de sobretensión de puerta.

Nuevas integraciones de GaN por venir

¿Cómo es la trayectoria de GaN para 2022? Lidow apunta a una integración adicional. "Veremos que GaN implementa primero cosas que requieren mayor velocidad y bajo costo", comenta Lidow. La compañía espera ver tecnologías como sistemas de tiempo de vuelo, conversión CC-CC, unidades de motor y circuitos integrados endurecidos por radiación que salgan con implementaciones de GaN dentro de un año.

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¿Qué le sorprendió de trabajar con GaN FET? ¿Algún consejo para tus compañeros diseñadores? Comparta sus ideas en los comentarios a continuación.