EO_Power_31

EO POWER - MAGGIO 2023 XVII GAN S(on) e un eccellente recupero inverso. Questo, a sua volta, si traduce in un’elevata efficienza con perdite di commuta- zione e di potenza ridotte. L’elevata frequenza di commutazione (la velocità di com- mutazione di un transistor di potenza GaN può raggiungere i 100 V/ns) consente agli ingegneri di utilizzare induttori e condensatori di valore inferiore (e, quindi, di dimensioni più contenute). La bassa R ds (on) riduce la quantità di calore prodotto, migliorando l’efficienza energetica e consenten- do dimensioni più compatte. Rispetto ai dispositivi basati su Si, i componenti basati su GaN richiedono condensatori con tensioni di lavoro più elevate, in grado di gestire elevati transitori dV/dt e con una bassa resistenza serie equivalen- te. Un ulteriore vantaggio offerto dal GaN è la sua elevata ten- sione di breakdown che consente ai dispositivi di potenza di funzionare a potenze e tensioni di ingresso più elevate senza subire danni. Una frequenza di commutazione più elevata consente ai dispositivi GaN di ottenere una mag- giore larghezza di banda e quindi di implementare algorit- mi di controllo del motore più stretti. Inoltre, utilizzando il controllo del motore a frequenza variabile (VFD), è pos- sibile raggiungere un livello di efficienza non ottenibile con i MOSFET e gli IGBT convenzionali in Si. Inoltre, il VFD consente di ottenere un controllo della velocità estrema- mente accurato, in quanto la velocità del motore può essere incrementata e ridotta, mantenendo il carico alla velocità richiesta. La figura 2 mostra il progetto di riferimento TI TIDA-00909, basato su un inverter trifase con tre moduli di potenza GaN a mezzo ponte. I transistor GaN possono commutare molto più velocemente delle controparti in Si, riducendo le induttanze e le perdite parassite, migliorando le prestazioni di commutazione (tempo di salita e discesa inferiore a 2ns) e consentendo ai progettisti di ridimen- sionare o eliminare il dissipatore di calore. Lo stadio di po- sul GaN di supportare tensioni 10 volte superiori prima di essere danneggiati; -- operando agli stessi valori di tensione, i dispositivi GaN presentano temperature più basse e sviluppano meno calore. Di conseguenza, possono funzionare a temperature più elevate (fino a 225 °C e oltre) rispetto al silicio, che è limitato dalla sua temperatura di giunzione inferiore (da 150 °C a 175 °C); -- essendo un transistor ad alta mobilità di elettroni, i dispositivi GaN hanno un’intensità di campo elettrico superiore a quella dei dispositivi al silicio, il che consente di ridurre le dimensioni della matrice e l’ingombro. I dispositivi GaNpresentano perdite di commutazione infe- riori e non hanno una giunzione p-n a corpo diodo e quindi non hanno un recupero inverso associato nel funziona- mento hard-switching, dove è essenziale considerare le caratteristiche della capacità inversa del dispositivo ( C ROSS ), la sua linearità e il rapporto (C RSSlow / C ROSShigh ). La C ROSS svolge un ruolo fondamentale durante la commutazione e il d V DS / dt osservato tra drain e source è inversamente proporzio- nale alla C ROSS e direttamente proporzionale alla corrente I gate che scorre nel gate durante il plateau di Miller (Fig. 1). Azionamento del motore Il GaN è stato proposto come una valida alternativa ai tra- dizionali MOSFET e IGBT a base di silicio nel campo del con- trollo dei motori. Con una frequenza di commutazione fino a 1.000 volte superiore a quella del silicio, unita a perdite di conduzione e di commutazione inferiori, la tecnologia GaN offre soluzioni leggere e a basso ingombro. Grazie alla sua struttura intrinseca, il GaN può commutare a frequenze più elevate rispetto al silicio, ha un basso RD- Fig. 1 – GaN— EPC 100-V eGaN FET, an EPC2022, has C RSSlow / C RSShigh = 300 pF/6 pF = 50 (Fonte: EPC) Fig. 2 – Inverter GaN trifase per azionamenti motore ad alta velocità (Fonte: Texas Instruments)