Texas Instruments ha ampliato la sua gamma di prodotti per la gestione dell’alimentazione ad alta tensione con la prossima generazione di transistor ad effetto di campo al nitruro di gallio (GaN) da 650 V e 600 V (FET) per applicazioni automotive e industriali.
Con un driver del gate integrato da 2,2 MHz a commutazione rapida, le nuove famiglie di FET GaN permettono agli ingegneri di fornire il doppio della densità di potenza, raggiungere un’efficienza del 99% e ridurre le dimensioni dei magneti di potenza del 59% rispetto alle soluzioni esistenti.
TI ha sviluppato questi nuovi FET utilizzando i suoi materiali GaN proprietari e le proprie capacità di elaborazione su un substrato GaN su silicio (Si), ottenendo un vantaggio in termini di costi e catena di fornitura rispetto a materiali di substrato paragonabili come il carburo di silicio (SiC).
L’elettrificazione dei veicoli sta trasformando l’industria automobilistica e i consumatori richiedono sempre più spesso veicoli con ricarica più rapida e maggiore autonomia. Di conseguenza, gli ingegneri si trovano di fronte alla sfida di progettare sistemi automotive compatti e leggeri senza compromettere le prestazioni del veicolo.
L’utilizzo dei nuovi FET GaN automotive di TI può contribuire a ridurre le dimensioni dei caricabatterie di bordo dei veicoli elettrici (EV) e dei convertitori CC/CC fino al 50% rispetto alle soluzioni in Si o SiC esistenti, consentendo agli ingegneri di ottenere una maggiore autonomia della batteria, una maggiore affidabilità del sistema e riducendo i costi di progettazione.
Nei progetti industriali, i nuovi dispositivi consentono un’elevata efficienza e densità di potenza nelle applicazioni di erogazione di potenza in CA/CC in cui è importante tenere basse le perdite e ridurre lo spazio su scheda, come nell’hyperscale e nelle piattaforme di elaborazione aziendali, nonché nei raddrizzatori per telecomunicazioni 5G.
Doppia densità di potenza con meno dispositivi
Nelle applicazioni ad alta tensione e alta densità, la riduzione al minimo dello spazio su scheda è un’importante aspetto della progettazione.
A mano a mano che si riducono le dimensioni dei sistemi elettronici, anche i componenti al loro interno devono rimpicciolirsi e stare più vicini.
I nuovi FET GaN di TI integrano un driver a commutazione rapida, oltre a protezione interna e rilevamento della temperatura, consentendo agli ingegneri di ottenere prestazioni elevate con riduzione dello spazio su scheda per progetti di gestione dell’alimentazione.
Questa integrazione, oltre all’elevata densità di potenza della tecnologia GaN di TI, consente agli ingegneri di eliminare più di 10 componenti tipicamente richiesti per le soluzioni discrete. Inoltre, ciascuno dei nuovi FET da 30 mΩ può supportare fino a 4 kW di conversione di potenza se applicato in una configurazione half-bridge.
Massima efficienza nel settore per la correzione del fattore di potenza (PFC)
Il GaN offre vantaggi in termini di commutazione rapida e consente di realizzare sistemi di alimentazione più piccoli, leggeri ed efficienti.
Storicamente, il compromesso legato all’acquisizione di capacità di commutazione rapida è costituito da maggiori perdite di potenza.
Per evitare questo compromesso, i nuovi FET GaN dispongono della modalità a diodo ideale di TI per ridurre le perdite di potenza. Ad esempio, nei PFC, la modalità a diodo ideale riduce fino al 66% le perdite nel terzo quadrante rispetto ai FET discreti al GaN e al SiC in ossido di metallo e silicio (MOSFET).
La modalità a diodo ideale elimina anche la necessità di un controllo adattivo dei tempi morti, riducendo la complessità del firmware e il tempo di sviluppo.
Ottimizzazione delle prestazioni termiche
Grazie ad un’impedenza termica inferiore del 23% rispetto al packaging concorrente più simile, il packaging dei FET GaN di TI consente agli ingegneri di utilizzare dissipatori di calore più piccoli, semplificando quindi la progettazione termica.
I nuovi dispositivi offrono la massima flessibilità di progettazione termica, indipendentemente dall’applicazione, con la possibilità di scegliere tra un package raffreddato sul lato inferiore o superiore. Inoltre, il reporting digitale della temperatura integrato nei FET consente una gestione attiva della potenza e permette agli ingegneri di ottimizzare le prestazioni termiche del sistema in base alle variazioni dei carichi e delle condizioni operative.
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«Le tecnologie a semiconduttore per banda larga come il GaN portano intrinsecamente capacità consolidate nel campo dell’elettronica di potenza, in particolare per i sistemi ad alta tensione», ha dichiarato Asif Anwar, Direttore Powertrain, Body, Chassis & Safety Service presso Strategy Analytics. «Texas Instruments sfrutta oltre un decennio di investimenti e sviluppo per fornire un approccio olistico esclusivo, riuscendo a combinare la produzione e il packaging interni di dispositivi GaN su Si con la tecnologia driver in Si, ottimizzata per implementare con successo il GaN in nuove applicazioni».
«Le applicazioni industriali e automotive richiedono sempre maggiore potenza in meno spazio, e i progettisti devono fornire sistemi di gestione dell’alimentazione collaudati che funzionino in modo affidabile per tutta la durata delle apparecchiature finali», ha affermato Steve Lambouses, Vicepresidente per High Voltage Power di TI. «Grazie ad oltre 40 milioni di ore di affidabilità dei dispositivi e oltre 5 GWh di test delle applicazioni di conversione di potenza, la tecnologia GaN di TI offre l’affidabilità a vita che gli ingegneri cercano per qualsiasi mercato».
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