L’intégration des GaNFETs en mode E avec un circuit de régulation de porte basé sur le GaN peut considérablement améliorer la fiabilité et la compatibilité de la commande de porte pour les interrupteurs GaN, tout en préservant les propriétés de commutation rapide et en atténuant les oscillations causées par les composants parasites liés à l’assemblage en commun.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec les Systèmes de puissance de Bodo.
L’intégration des GaNFETs en mode E avec un circuit de régulation de porte basé sur le GaN peut considérablement améliorer la fiabilité et la compatibilité de la commande de porte pour les interrupteurs GaN, tout en préservant les propriétés de commutation rapide et en atténuant les oscillations causées par les composants parasites liés à l’assemblage en commun.
Évolution et Fiabilité des GaNFETs Cascode et E-Mode
Le GaN en cascode, dont la structure est illustrée dans la Figure 1 (a), combine un MOSFET en silicium à basse tension, normalement déconnecté, et un HEMT GaN à haute tension, normalement connecté, dans une configuration en cascode. Cette combinaison donne lieu à un comportement en mode d’amélioration, et cette technologie est commercialisée depuis le début des années 2010. Le MOSFET en silicium, avec une tension seuil de porte typique de 4 V, simplifie les exigences de commande de porte par rapport aux solutions GaN natives, car ces GaN en cascode peuvent généralement être pilotés avec des conducteurs de porte en silicium classiques. De plus, la nature hybride d’un MOSFET en silicium peut augmenter la fiabilité. Les caractéristiques et le comportement connus du silicium peuvent être utilisés pour protéger la porte plus sensible du HEMT GaN, réduisant ainsi le risque de défaillance dû à des pics de haute tension ou à une tension de porte incorrecte.
Figure 1. Comparaison schématique entre (a) le GaN en cascode et (b) le HEMT GaN P-gate en mode E. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF]
Cependant, le MOSFET en silicium supplémentaire entre la porte et la source du HEMT GaN augmentera considérablement la capacitance d’entrée efficace du dispositif GaN en cascode, ce qui sacrifie en grande partie les caractéristiques de commutation rapide, l’un des principaux avantages par rapport aux MOSFETs SiC. Pire encore, la connexion en série du MOSFET en silicium et du GaN en mode D pour l’assemblage en commun entraînera une inductance parasite supplémentaire qui provoque plus d’oscillations et de dépassements dans les formes d’onde de commutation, affectant les performances globales et soulevant des préoccupations concernant les interférences électromagnétiques (EMI).
Les GaNFETs en mode E, comme le montre la Figure 1 (b), utilisent une structure de porte en GaN de type p pour fournir une tension seuil positive, rendant le dispositif normalement déconnecté de manière inhérente dans une solution à puce unique. Cela est crucial pour les applications de puissance où un fonctionnement sûr en cas de défaillance est nécessaire. Le GaNFET en mode E affiche généralement une très faible charge et capacitance de porte sans composants supplémentaires, ce qui se traduit par des vitesses de commutation plus rapides et des pertes de commutation réduites. Ils sont très efficaces dans les applications nécessitant un fonctionnement à haute fréquence.
Néanmoins, la porte en GaN de type p fournit une tension seuil typique inférieure de 1,4 V, ce qui peut provoquer un déclenchement accidentel du dispositif et une défaillance du système en raison du bruit ou des fluctuations de tension de porte. De plus, la plage de commande typique est de -10 V à 7 V, incompatible avec les tensions de commande de la plupart des autres dispositifs de puissance, qui nécessitent 12-18 V, rendant difficile le passage au HEMT GaN depuis d’autres interrupteurs de puissance. Enfin, étant donné que la porte en GaN de type p n’est pas encore totalement mature et plus vulnérable, des inquiétudes subsistent quant à sa fiabilité à long terme et à la stabilité de la tension seuil.
Solution All-GaN-IC : Un Saut en Avant dans la Tension Seuil de Porte et la Plage de Commande
GaNPower International a innové une méthode All-GaN-IC qui augmente la tension seuil de porte de 1,4 V à un impressionnant 3,5-4,0 V, avec une plage de commande étendue allant jusqu’à ±20 V. Un circuit de régulation de porte basé sur le GaN a été intégré monolithiquement avec les GaNFETs de puissance dans une seule puce. Cette innovation, illustrée dans la Figure 2 (a), aligne le nouveau GaN en mode E avec les sorties, la tension seuil, et la plage de commande des MOSFETs en silicium et SiC, lui valant le surnom de ‘pin-to-pin’ (P2P) pour son exceptionnelle compatibilité. La technologie P2P combine les avantages du GaN en cascode et du GaN en mode E. Son objectif est d’atteindre une commande de porte plus fiable sans compromettre significativement les avantages de la commutation rapide des interrupteurs de puissance GaN.
Selon les résultats simulés par LTSpice montrés dans la Figure 2 (b), la tension seuil de porte de l’interrupteur GaN P2P a été augmentée à environ 4 V, et sa tension de porte a été correctement maintenue en dessous de 7 V par l’All-GaN-IC avec une entrée PWM de 0-20 V.
Figure 2. (a) Schéma de bloc et (b) vérification simulée d’un circuit de régulateur de porte intégré monolithiquement avec des GaNFETs P-gate en mode E. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les résultats des mesures statiques IdVg à température ambiante, présentés dans la Figure 3, vérifient également l’accroissement de la tension seuil de porte (3,6 V) pour le GaN P2P, comparé au GaN en mode E normal sans le circuit de régulation de porte basé sur le GaN.
Figure 3. Comparaison de la mesure Ids-Vgs entre un HEMT GaN en mode E de 650V 30A (a) sans et (b) avec un circuit régulateur de porte intégré monolithiquement (c’est-à-dire, technologie P2P). Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF]
Détermination de la Performance de Commutation Supérieure
Une plateforme de test à double impulsion avec une inductance de charge personnalisée de 128 μH, une diode SiC libre de tension, et un circuit de limite de tension fiable pour une mesure dynamique précise de Rdson a été construite pour l’évaluation de la commutation en mode burst du GaN P2P.
Avec une entrée PWM de 12 V et une tension de bus de 900 V, toutes les formes d’onde de commutation (Vgs, Vds, et Ids), comme le montre la Figure 4, sont impeccables sans oscillations ni dépassements considérables. De plus, le Rdson dynamique est également dans une plage raisonnable jusqu’à 33 A (ses valeurs nominales de courant) sous température ambiante, ce qui peut être observé à partir des formes d’onde Vds clampées. Un autre test à double impulsion réalisé dans des conditions de charge similaires à 125°C montre des formes d’onde de commutation comparables, démontrant une bonne stabilité thermique du circuit régulateur de porte basé sur le GaN.
Une plateforme de test Buck à demi-pont à 100 KHz avec une inductance de puissance toroidale à haute saturation et une charge résistive de 40 ohms a été construite pour l’évaluation continue de la commutation dure du GaN P2P. Deux dispositifs GP65R45T4 avec des dissipateurs thermiques adaptés ont été installés sur le tableau de test principal, et un refroidissement par ventilateur approprié a été utilisé pendant les tests.
Figure 4. Les résultats des tests à double impulsion (DPT) à 33 A de courant de drain et 900 V de tension de bus montrent de bonnes performances de commutation à (a) 25°C et (b) 125°C. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF]
Selon les rapports d’efficacité présentés dans la Figure 5 (a), avec une entrée PWM de 12 V et une tension de bus de 200-550 V, le convertisseur buck basé sur GaN P2P a atteint une efficacité de pointe de 97,42 % et une puissance de sortie maximale de 3,7 kW. La Figure 5 (b) démontre de bonnes formes d’onde de commutation continues sans oscillations et dépassements substantiels à l’efficacité de pointe avec une tension de bus de 450 V.
Figure 5. (a) Efficacité de commutation et (b) formes d’onde de commutation d’un convertisseur Buck à demi-pont refroidi par air, où deux GaNPower P2P GaN HEMTs (GP65R45T4) ont été soumis à des tests de commutation dure continue. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF]
Des tests de fiabilité plus rigoureux à grande échelle sur des échantillons GP65R45T4 sont en cours pour garantir que les GaN P2P sont fiables et optimisés dans des applications industrielles pratiques.
Ce texte est initialement paru dans Bodo’s Power Systems [PDF]. Image présentée avec la permission de Adobe Stock.