L’intégration des GaNFETs en mode E avec un circuit de régulation de porte basé sur GaN peut améliorer significativement 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’encapsulation.
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 GaN peut améliorer significativement 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’encapsulation.
Évolution et Fiabilité des GaNFETs Cascode et en Mode E
Le GaN cascode, dont la structure est représentée à la Figure 1 (a), combine un MOSFET en silicium normalement éteint à faible tension et un HEMT GaN normalement allumé à haute tension dans une configuration cascode. Cette combinaison permet d’obtenir un comportement en mode renforcement, et cette technologie est commercialement disponible depuis le début des années 2010. Le MOSFET en silicium, avec une tension de seuil de porte commune de 4 V, simplifie les exigences de commande de porte par rapport aux solutions GaN natives, car ces GaN cascode peuvent généralement être pilotés avec des pilotes de porte en silicium standard. De plus, la nature hybride d’un MOSFET en silicium peut renforcer la fiabilité. Les caractéristiques et le comportement connus du silicium peuvent être exploités pour protéger la porte plus sensible du HEMT GaN, réduisant ainsi le risque de défaillance dû à des pics de haute tension ou une tension de porte incorrecte.
Figure 1. Comparaison schématique entre (a) GaN Cascode et (b) HEMT GaN à porte P 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 capacité d’entrée effective du dispositif GaN cascode, sacrifiant largement 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’encapsulation entraînera une inductance parasite supplémentaire, ce qui provoquera davantage d’oscillations et de dépassements dans les formes d’onde de commutation, affectant la performance globale et soulevant des préoccupations concernant les interférences électromagnétiques (EMI).
Les GaNFETs en mode E, comme montrés à la Figure 1 (b), utilisent une structure de porte en GaN de type P pour fournir une tension de seuil positive, rendant le dispositif normalement éteint par nature dans une solution mono-puce. Cela est crucial pour les applications de puissance où un fonctionnement fail-safe est nécessaire. Le GaNFET en mode E présente généralement une très faible charge de porte et des capacités sans composants supplémentaires, ce qui entraîne 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 présente une tension de seuil de porte typiquement plus faible de 1,4 V, ce qui pourrait entraîner un allumage accidentel du dispositif et une défaillance du système en raison de bruit ou de fluctuations de tension de porte. De plus, la plage de pilotage typique est de -10 V à 7 V, incompatible avec les tensions de commande pour la plupart des autres dispositifs de puissance, qui nécessitent 12-18 V, rendant difficile le passage aux HEMTs GaN à partir d’autres interrupteurs de puissance. Enfin, comme la porte en GaN de type P n’est pas encore totalement mature et plus vulnérable, des préoccupations subsistent quant à sa fiabilité à long terme et à la stabilité de sa tension de seuil.
Solution All-GaN-IC : Un Saut dans la Tension de Seuil de Porte et la Plage de Pilotage
GaNPower International a innové une méthode All-GaN-IC qui augmente la tension de seuil de porte de 1,4 V à une impressionnante 3,5-4,0 V, avec une plage de pilotage étendue jusqu’à ±20 V. Un circuit de régulation de porte basé sur GaN a été intégré monolithiquement avec les GaNFETs de puissance sur une seule puce. Cette innovation, représentée à la Figure 2 (a), aligne le nouveau GaN en mode E avec les connexions, la tension de seuil et la plage de pilotage des MOSFETs en silicium et SiC, lui valant le surnom de « pin-to-pin » (P2P) pour sa compatibilité exceptionnelle. La technologie P2P combine les avantages du GaN cascode et du GaN en mode E. Elle vise à réaliser une commande de porte plus fiable sans compromettre largement les avantages de commutation rapide des interrupteurs de puissance GaN.
Selon les résultats simulés avec LTSpice présentés à la Figure 2 (b), la tension de seuil de porte du commutateur GaN P2P a été augmentée à environ 4 V, et sa tension de porte a été correctement limitée en dessous de 7 V par l’All-GaN-IC avec une entrée PWM de 0-20 V.
Figure 2. (a) Schéma bloc et (b) vérification simulée d’un circuit régulateur de porte monolithiquement intégré avec des GaNFETs à porte P en mode E. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les résultats expérimentaux de mesure statique IdVg à température ambiante, présentés à la Figure 3, vérifient également l’augmentation de la tension de seuil de porte (3,6 V) pour le GaN P2P, par rapport au GaN en mode E normal sans le circuit de régulation de porte basé sur GaN.
Figure 3. Comparaison des mesures Ids-Vgs entre le HEMT GaN en mode E 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]
Démonstration d’une Performance de Commutation Supérieure
Une plateforme de test à double impulsion avec une inductance de charge personnalisée à noyau d’air de 128 μH, une diode SiC à roue libre et un circuit de limitation 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 illustré à la Figure 4, sont nettes sans oscillations ni dépassements considérables. De plus, le Rdson dynamique est également dans une plage raisonnable jusqu’à 33 A (ses valeurs de courant), ce qui peut être observé à partir des formes d’onde Vds limitées. 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 de régulation de porte basé sur GaN.
Une plateforme de test Buck en demi-pont à 100 KHz avec une inductance toroïdale de puissance à haute saturation et une charge résistive constante de 40 ohms a été construite pour l’évaluation continue en mode dur du GaN P2P. Deux dispositifs GP65R45T4 avec des dissipateurs thermiques appropriés ont été installés sur la planche de test principale, et un refroidissement par ventilateur adéquat 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 démontrent 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 montrés à 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 maximale de 97,42 % et une puissance de sortie maximale de 3,7 kW. La Figure 5 (b) a démontré de bonnes formes d’onde de commutation continues sans oscillations et dépassements substantiels à l’efficacité maximale 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 HEMTs GaN P2P de GaNPower (GP65R45T4) étaient sous tests de commutation 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 GaNs P2P sont fiables et optimisés dans les applications industrielles pratiques.
Cet article est paru à l’origine dans les systèmes de puissance de Bodo [PDF]. Image mise en avant utilisée avec la permission de Adobe Stock.