MasterGAN – iniciando a nova revolução em eletrônica de potência

Embarcados Imagem de destaque patrocinado 1

Introdução à tecnologia GaN

A indústria de semicondutores buscou, nos últimos anos, alternativas à tecnologia de Silício – Si. Tecnologias como Silicon Carbide – SiC – e Gallium Nitride – GaN – se mostram como soluções importantes 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 do Si tradicional, que é de apenas 1.1Ev. Esta diferença faz com que o campo elétrico crítico seja muito maior e possibilite a operação do 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 eletrônicos com dimensões menores e excelente custo-benefício.

Conhecendo a linha MasterGaN

Como já sabemos que transistores GaN são extremamente rápidos, ficam potencializados os problemas intrínsecos 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, somada aos gate drivers, minimizando, desta forma, os problemas que podem ocorrem na introdução da tecnologia GaN em diversas aplicações.

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

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

MasterGAN

Inicialmente, notamos que a implementação de um conversor é bastante simplificada, 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 família MASTERGAN, como a etapa de potência está implementada na configuração half-bridge, temos que evitar o acionamento simultâneo das chaves GaN. Para isso, o componente tem internamente a proteção de interlocking: mesmo que tenhamos o microcontrolador acionando HIN e LIN em nivel “1” simultaneamente, este comando não chega até as chaves de potência. Outra caracteristica importante é a proteção de sobretemperatura, quando acima de um valor pré-determinado de temperatura, o MASTERGAN1 desliga as chaves automaticamente, garantindo operação segura do sistema.

A tensão de acionamento dos transistores precisa ter um valor mínimo para garantir o Rds(on) especificado. Por isso o MASTERGAN1 mede internamente a tensão de acionamento de suas chaves. Caso a tensão esteja abaixo do valor mínimo, 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 dinâmicas. Nosso MASTERGAN1 apresenta o layout do driver otimizado, bem como as resistências de gate Rgon e Rgoff adequadas 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 criou placas de desenvolvimento genéricas que podem ser utilizadas para avaliação de diversos tipos de aplicações e potências.

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

Vamos tratar da placa EVALMASTERGAN1, que é implementada a partir do componente MASTERGAN1. Abaixo 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. Do lado direito, temos a conexão ao estágio de saída da parte de potência.

O EVALMASTERGAN1 tem dimensões de apenas 56x70mm, 4 layers, apresentando uma 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, pois eles precisarão focar apenas no desenvolvimento do controle digital ou analógico para geração dos sinais de acionamento HIN e LIN, para implementação do conversor chaveado.

Exemplos de aplicação

Exemplos típicos de aplicação do MASTERGAN são os conversores do tipo flyback. Estes conversores são de simples implementação. Porém, cada vez mais as aplicações, como adaptadores AC para laptops ou carregadores para aparelhos celulares, requerem potências maiores com tamanhos cada vez menores. Desta forma, o uso da tecnologia GaN resolve por completo este desafio.

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

Abaixo, temos a ilustração de uma implementação típica de um flyback active clamp usando o componente MASTERGAN da STMicroelectronics:

MasterGAN

Outros exemplos bastante importantes de aplicação são fontes para LED de alta potência, nas quais tipicamente um conversor de comutação suave é empregado.

MasterGAN

Conclusão

Neste artigo exploramos a nova tecnologia WideBandGap Gallium Nitride – 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, com tamanhos cada vez menores e com excelente custo-benefício.

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 Rogério 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.

Receba os melhores conteúdos sobre sistemas eletrônicos embarcados, dicas, tutoriais e promoções.

Hardware
Comentários:
Notificações
Notificar
guest
1 Comentário
recentes
antigos mais votados
Inline Feedbacks
View all comments
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.

Talvez você goste:

Nenhum resultado encontrado.

Séries

Menu

EVENTO ONLINE

Simplificando seus projetos de Internet das coisas com o iMCP HT32SX Sigfox

DATA: 18/05 às 15:00h