MasterGAN – iniciando a nova revolução em eletrônica de potência

Introdução à tecnologia GaN

A indústria de semicondutores buscou nos últimos anos uma alternativa à tecnologia de Silicio – Si, tecnologias como Silicon Carbide – SiC e Gallium Nitride – GaN se mostram como alternativas importante para alavancar diversas aplicações, como por exemplo a eletrificação de carros.

Em termos de propriedades elétricas o GaN tem a largura de banda – bandgap no valor de 3.39eV, esse valor é muito superior ao Si tradicional que é de apenas 1.1eV. Esta diferença faz com que o campo elétrico critico seja muito maior e desta forma possibilite a operação deste semicondutor GaN em frequências de chaveamento muito superiores e com perdas menores.

Em linhas gerais, para aplicações acima de 200kHz de frequência de chaveamento a tecnologia GaN se mostra extremamente competitiva, permitindo sistemas com dimensões menores e com excelente custo-beneficio.

Conhecendo a linha MasterGaN

Como já sabemos que transistores GaN são extremamente rápidos, ficam potencializados os problemas intrinsecos de um layout real, onde as indutâncias das trilhas acabam interferindo na performance do circuito. Desta forma a STMicroelectronics lança inicialmente ao mercado produtos na tecnologia GaN no formato de System-In-Package – SiP, isto é, temos dentro de um único package a etapa de potência, constituída pelos transistores GaN, somado aos gate drivers, minimizando desta forma os problemas que podem ocorrem na introdução da tecnologia GaN em diversas aplicações.

A familia MasterGaN consiste em um série de produtos num encapsulamento extremamente pequeno 9x9mm, onde teremos cada produto otimizado para uma aplicação/potência em particular. O primeiro produto lançado foi o MASTERGAN1 onde temos dois transistores GaN com tensão de ruptura – Vds no valor de 600V com resistência de canal de – Rds(on) no valor de apenas 150mΩ, em uma configuração em meia-ponte (no ingles conhecido como half-bridge). O segundo produto lançado recentemente foi o MASTERGAN2 onde temos dois transistores GaN com tensão de ruptura – Vds no valor de 600V, mas com transistores com resistência de canal diferente, 150mΩ e 225mΩ respectivamente, pois em algumas aplicações não é necessários os dois transistores serem simétricos.

Agora exploraremos em detalhes o MASTERGAN1, veja na figura abaixo o esquema interno do produto:

MasterGAN

Inicialmente notamos que a implementação do conversor é bastante simplificadas, pois os pinos HIN/LIN/SD podem ser gerenciados diretamente pelo microcontrolador e a etapa de saída VS/OUT/SENSE é conectada diretamente aos passivos do conversor.

Um aspecto bastante importante são as proteções, no caso da familia MASTERGAN, como a etapa de potência está implementada na configuração half-bridge, temos que evitar o acionamento simultaneo das chaves GaN, logo temos internamente a proteção de “interlocking”, esta evita mesmo que tenhamos o microcontrolador acionamento HIN e LIN em nivel “1” simultaneamente, este comando não chega até as chaves de potência. Outra caracteristica importante é a proteção de sobretemperatura, onde acima de um valor pré-determinado o MASTERGAN1 desliga as chaves automaticamente garantindo operação segura do conversor.

Vale também ressaltar que a tensão de acionamento das chaves precisa ser precisa para garantirmos o Rds(on) especificado, desta forma o MASTERGAN1 mede internamente a tensão de acionamento da chave, caso esta esteja abaixo do valor minimo, o driver é desabilitado para impedir perdas elevadas nas chaves GaN.

O acionamento adequado das chaves GaN também é crucial para a minimização das perdas dinamicas, nosso MASTERGAN1 apresenta o layout do driver otimizado bem como Rgon e Rgoff adequados para a chave em questão.

Abaixo temos o encapsulamento QFN 9x9mm com apenas 1mm de altura:

MasterGAN

Placas de avaliação

De forma a propiciar que os clientes possam avaliar e implementar uma prova de conceito de seus produtos usando MASTERGAN, a STMicroelectronics desenvolveu placas de desenvolvimento genéricas que podem ser aplicados à diversos tipos de aplicações e potências.

Atualmente temos disponíveis duas placas de desenvolvimento, EVALMASTERGAN1 e EVALMASTERGAN2.

Vamos tratar abaixo da placa EVALMASTERGAN1 que é implementada a partir do MASTERGAN1. Abaixo temos a foto da placa:

MasterGAN

Nesta placa temos do lado esquerdo todos os sinais de comando do MASTERGAN1, na parte superior temos o conector de alimentação do MASTERGAN1 e finalmente do lado direito temos a conexão ao estágio de saída da parte de potência.

O EVALMASTERGAN1 tem dimensões de apenas 56x70mm, 4 layers, apresentando um Rth(j-a) de apenas 35 oC/W sem ventilação forçada.

Usando esta placa de avaliação os clientes da STMicroelectronics poderão economizar tempo de projeto, haja vista que, é mandatorio apenas o desenvolvimento do controle digital ou analógico para geração dos sinais de acionamento HIN e LIN para implementação do conversor chaveado.

Exemplos de aplicação

Um exempo tipico de aplicação do MASTERGAN são conversores do tipo flyback, estes conversores são de simples implementação mas cada vez mais aplicações como adaptadores AC para laptops ou carregadores para aparelhos celulares requerem potencia maior com tamanho cada vez menor. Desta forma o uso da tecnologia GaN resolve por completo este desafio.

De forma a maximizar a eficiência, faremos uma simples mudança na topologia, onde implementaremos a técnica chamada active clamping, onde o papel da rede RCD tipica do flyback será substituida pelo transistor GaN da chave superior da meia ponte.

Abaixo temos a ilustração de uma implementação tipica de um flyback active clamp usando nosso MASTERGAN.

MasterGAN

Um outro exemplo bastante importante de aplicação são fontes para led de alta potência, onde tipicamente um conversor de comutação suave é empregado

MasterGAN

Conclusão

Neste artigo exploramos a nova tecnologia WideBandGap – GaN, para facilitar o desenvolvimento a STMicroelectronics desenvolveu linha de projetos no formato System-In-Package baseados em GaN chamados MASTERGAN. Esta nova tecnologia está propriciando aos clientes da STMicroelectronics desenvolverem produtos inovadores em menor tempo de desenvolvimento, com tamanhos cada vez menores e com excelente custo-beneficio.

Esse é somente o começo da introdução de uma tecnologia que permitirá conversores chaveados de até 400W sem o uso de dissipadores de calor. Nos próximos meses teremos muitas novidades em termos de placas de desenvolvimento, cadastre-se no site da ST www.st.com para receber essas novidades que podem ajudá-lo no desenvolvimento de novos produtos.

Bibliografia

  1. Folha de dados do MASTERGAN1 disponível no no site da ST no endereço: https://www.st.com/resource/en/datasheet/mastergan1.pdf
  1. Folha de dados do MASTERGAN2 disponível no no site da ST no endereço: https://www.st.com/resource/en/datasheet/mastergan2.pdf
  1. Folha de dados do EVALMASTERGAN1 disponível no no site da ST no endereço: https://www.st.com/resource/en/data_brief/evalmastergan1.pdf
  1. Folha de dados do EVALMASTERGAN2 disponível no no site da ST no endereço: https://www.st.com/resource/en/data_brief/evalmastergan2.pdf

Este artigo foi escrito por Rogerio Bueno, responsável por Marketing de Produtos da STMicroelectronics Brasil. ( [email protected] )

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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Mário Halm
Mário Halm
08/02/2021 22:45

É a ST, nos surpreendendo com novas tecnologias de ponta, sempre !
Este CKT é praticamente um sistema completo.
Parabéns.

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