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Bristol GaN gate driver die photo

Les pilotes actifs influent de manière dynamique sur un processus de commutation de puissance en appliquant une forme d'onde analogique réglable à la porte du dispositif de commutation - par opposition à la plupart des pilotes existants, qui appliquent simplement un échelon de tension non réglable.

«Les transitoires de commutation de puissance durent quelques nanosecondes et nous devons interagir au moins 10 fois plus vite. La fréquence d'échantillonnage de notre pilote est donc de 10 GHz», a déclaré l'ingénieur Bernard Stark à Electronics Weekly.

Le temps de montée actuel du conducteur est au plus égal à 10 secondes de picosecondes; sa bande passante est donc supérieure à 10 GHz.

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Le côté alimentation de la puce se compose de 319 sous-pilotes en parallèle, qui peuvent être connectés de manière arbitraire à la sortie, selon des combinaisons changées tous les 100ps sous le contrôle d'une mémoire intégrée.

Ce nombre inhabituel de sous-pilotes, une combinaison de pilotes principaux et de pilotes fins, provient de l'optimisation pour un minimum de silicium tout en assurant le contrôle nécessaire. Vcc est de 5 V et les transistors de commande sont essentiellement des sources de courant jusqu'à ce que la tension de sortie du circuit d'attaque se situe à moins de 1, 5 V de la tension de grille finale, sur laquelle ils deviennent résistifs.

Bristol GaN gate driver current oscillation at turn-off Oscillation du courant de commande de grille à la fermeture - dans le transistor inférieur (systèmes GaN) dans un demi-pont principal. La sonnerie est réduite même par rapport à une commutation plus lente.

Le courant de sortie pulsé nominal maximal est de 10 A à partir de la matrice de 1, 8 × 2, 3 mm. "Ceci est conservateur", a déclaré Stark. «À 20A, nous risquons de provoquer une migration électronique avec cette configuration. À 40A nous avons frappé la loi d'Ohm. "

Un CMOS haute tension 180 nm a été choisi pour la construction, ce qui est «à peu près aussi fin que vous voulez aller en analogique, mais restez correct pour le numérique», a-t-il ajouté.

T o Pour maintenir l’intégrité du signal à 10 G / échantillon / s, seul nH d’inductance peut être toléré entre le transistor de commande et le transistor commandé. Le paquet de recherche est relativement volumineux, le pilote est donc placé juste à côté du transistor pour obtenir une inductance de boucle de grille totale de 4nH, a déclaré Stark, bien que cela ne laisse aucune marge de manœuvre pour mesurer le courant de grille, la modélisation 3D doit donc être utilisée pour déduire le courant. de mesure de tension.

Pourquoi le complexe gate drive?

Les transistors au GaN sont naturellement rapides, et leur faible capacité parasite inhérente rend cette vitesse extrêmement utile.

Bristol GaN gate driver current oscillation at turn-on Oscillation du courant de commande de grille à la mise en marche - dans le transistor inférieur (systèmes GaN) dans un demi-pont principal

Cependant, la vitesse les rend également bruyants du point de vue électrique, et les bords rapides permettent aux résonations de même inductances parasites, même minuscules, des pics d’émission - des pics d’émission atteignant des centaines de mégahertz.

En ajustant soigneusement la forme d'onde de la porte, l'équipe de Bristol a constaté des améliorations des émissions allant au-delà de celles obtenues grâce à la simple limitation du taux de variation de la porte, sans perte d'efficacité. Et ils ont également éliminé les surtensions potentiellement dommageables sur la forme d'onde de la puissance.

Jusqu'à présent, les meilleures formes d'onde ont été loin des pentes stables (voir le schéma de principe ci-dessus). «Nous devons commencer à changer rapidement, puis à freiner», a déclaré Stark.

Qu'a-t-il appris d'autre?

"Que nous puissions faire des choses plutôt cool avec ce pilote", a-t-il déclaré. «Il est intéressant d'avoir deux pilotes actifs dans une étape de pont GaN qui font des choses différentes. Par exemple, nous pouvons nous débarrasser du rebond sur le terrain. Lorsque vous activez un demi-pont, il essaie d'allumer l'autre périphérique. Nous pouvons réduire l'oscillation actuelle (voir les schémas ci-dessus) et avons montré qu'il est possible d'accélérer la commutation sans augmenter les pertes. Vous pouvez également mettre ce pilote en série avec un pilote classique pour contrôler des transistors SiC avec des portes 15V. ”

Dépassement de la tension du pilote de grille - Pont à transistors EPC

La puce est utilisée pour la recherche sur les deux blocs d'alimentation principaux, où Bristol utilise des FET de systèmes GaN et des tensions plus faibles lorsqu'il utilise des FET de EPC (Conversion de puissance efficace) - l'équipe a réussi à piloter des dispositifs de Systèmes GaN à 100 V / n tout en réduisant composants à haute fréquence qui causent des EMI.

À l'heure actuelle, la synchronisation des puces ne peut pas être mise à jour à la volée - une situation qui sera corrigée lors de la prochaine itération de silicium.

Les mises à jour en direct permettront aux algorithmes d’accélérer l’optimisation de la forme d’onde des portes, au moment où ils sont fabriqués à la main.

Cependant, l'optimisation automatisée doit être appliquée avec précaution, a déclaré Stark, car il existe une légère différence entre une forme d'onde optimisée et une autre qui envoie une porte GaN.

La propriété intellectuelle pour vous

Il s’agit de la troisième génération de la puce de commande de grille de Bristol, créée sur des wafers multi-projets et conditionnée conjointement avec Europractice et le laboratoire de recherche belge IMEC.

L’équipe recherche des partenaires industriels pour aller plus loin dans ses technologies de conduite et de détection actuelles. «Nous souhaiterions également fournir des puces aux autres groupes de recherche qui souhaitent explorer la conduite active au poste de contrôle», a ajouté Stark.

Le capteur de courant (en attente de brevet) développé par le laboratoire pour mesurer les courants de commutation est également proposé. C’est un record, il flotte, offre une impédance d’insertion de 0, 2 nH et une bande passante de 300 MHz.

Bien que la puce hautement ajustable soit trop puissante pour la plupart des applications, «notre silicium coûterait 10 pence en production de masse», a déclaré Stark. «Il s’agit d’un générateur de signaux arbitraires à très haute vitesse. Je serais surpris que ce soit la seule application possible: la conduite au laser peut en être une, ou n'importe où, vous devez utiliser des formes d'onde très rapides ».

Pourquoi GaN transistors?

Le GaN est prometteur pour la commutation de puissance car les FET (transistors à forte mobilité électronique - HEMT) fabriqués à partir de celui-ci sont rapides, ont une petite puce, une faible capacité de grille et une faible capacité de drain - conduisant à de faibles pertes de conduction et de commutation.

Avec la puce de pilote et les performances de GaN Systems, la commutation à 4 MHz peut être utilisée dans une alimentation électrique avant que la moitié du budget thermique ne soit utilisée pour charger la capacité de drain irréductible, selon Stark: «À ce stade, nous devons penser à la résonance [' commutation douce "] « .

Les pertes de commutation se produisent dans des résonances non résonantes ("commutées en dur" - 99% de tous les convertisseurs, selon Stark) lorsque le transistor de commutation est traversé par le courant de charge et par la tension du rail CC. La puissance instantanée (V * I) atteint 10 s ou 100 s de kW par cm [exposant2], pendant un bref instant.

Les topologies résonantes, où les dispositifs d'alimentation commutent uniquement à tension nulle ou à courant nul, présentent des pertes de commutation presque nulles (sauf les pertes de grille), ce qui signifie moins de chaleur, ce qui permet de réduire la taille des unités d'alimentation.

Mais les convertisseurs sonores sont plus complexes et leurs concepteurs doivent être des experts.