Integración de semipuente GaN en sistema en encapsulado

La conversión de energía de alta densidad en fuentes de alimentación conmutadas afronta restricciones térmicas y de espacio en placa cuando los transistores MOSFET de silicio tradicionales funcionan a frecuencias de conmutación elevadas. Los dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha superan estos límites, y la introducción de MasterGaN7 por parte de STMicroelectronics combina dos transistores de potencia de nitruro de galio (GaN) en modo de enriquecimiento de 650 V con un controlador de puerta de alta tensión y alta frecuencia dedicado para resolver la inductancia parásita y los problemas de diseño del controlador en adaptadores de corriente, iluminación industrial y equipos de energía renovable.

Arquitectura de ingeniería y principios de funcionamiento
Operar a velocidades de conmutación elevadas expone a los transistores GaN discretos a inductancias parásitas en la placa de circuito impreso, lo que provoca sobretensiones transitorias y un comportamiento de conmutación errático. MasterGaN7 elimina las pistas de puerta largas al integrar los transistores GaN de 650 V de lado alto y lado bajo junto con su circuito de excitación en un encapsulado QFN unificado de 9 mm x 9 mm.

El sistema en encapsulado incluye reguladores de baja caída de tensión (LDO) integrados que suministran un potencial de excitación de puerta estabilizado directamente a los controladores de lado alto y lado bajo. La estabilización interna de la tensión de puerta evita el estrés por sobretensión en el dieléctrico de la puerta, a la vez que elude los estados de subexcitación que incrementan las pérdidas por conducción. Un diodo de arranque integrado alimenta la sección del controlador flotante de lado alto, reduciendo aún más el número de componentes externos.

El dispositivo presenta un retardo de propagación total del controlador de 45 ns y admite frecuencias de conmutación de hasta 2 MHz. Para cumplir con los estrictos requisitos de eficiencia energética durante los periodos de inactividad, un modo de apagado controlado por patilla reduce el consumo de energía sin carga con una capacidad de activación ultrarrápida. La lógica de enclavamiento integrada evita la conducción simultánea de los interruptores de lado alto y lado bajo, mientras que el bloqueo por subtensión (UVLO) y el apagado térmico integrados protegen el encapsulado contra caídas de tensión en la línea y situaciones de sobretemperatura.

Especificaciones técnicas
La etapa de potencia consta de dos transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) de GaN en modo de enriquecimiento de 650 V dispuestos en topología de semipuente, compatibles con una corriente de drenaje continua máxima de 6 A. Conducido por circuitería integrada de alta tensión, el encapsulado opera en frecuencias de conmutación que alcanzan 2 MHz con un retardo de propagación ajustado de 45 ns, aceptando señales lógicas estándar de control de 3,3 V a 15 V con histéresis de entrada integrada. La fiabilidad a nivel de hardware se refuerza mediante el bloqueo por subtensión integrado, el apagado térmico por sobretemperatura y los circuitos de enclavamiento contra conducción cruzada. Alojado en un encapsulado estándar QFN de montaje superficial de 9 mm x 9 mm, el dispositivo mantiene la estabilidad operativa en un rango de temperatura de unión industrial de -40 °C a 125 °C, con un precio de producción en serie a partir de 3,83 dólares estadounidenses para pedidos de 1000 unidades.

Implementación industrial y topologías
El funcionamiento de las etapas de potencia a frecuencias de hasta 2 MHz permite a los diseñadores reducir las dimensiones físicas de los componentes pasivos reactivos, incluidos transformadores planares, inductores resonantes y condensadores de filtro. MasterGaN7 se integra en múltiples arquitecturas de conversión primaria, como convertidores flyback con fijación activa de nivel, semipuentes asimétricos, convertidores resonantes LLC, etapas reductoras inversas síncronas, prerreguladores de corrección del factor de potencia (PFC) e inversores de corriente continua a corriente alterna.

Los entornos de implementación habituales incluyen adaptadores de suministro de energía USB tipo C, cargadores compactos, balastos industriales, equipos de iluminación escénica y microinversores fotovoltaicos. La distribución de terminales y el diseño de pistas compartidos en toda la familia MasterGaN permiten a los equipos de ingeniería escalar los valores nominales de corriente en placas de circuito impreso comunes sin necesidad de rediseñar el hardware principal. El desarrollo y la evaluación de prototipos cuentan con el respaldo de la placa de prueba EVLMG7.

Contexto adicional:
Esta sección detalla las especificaciones técnicas y la comparativa competitiva no incluidas en el anuncio original del producto.

La transición de los MOSFET de superunión de silicio discretos a etapas GaN monolíticas y coencapsuladas está impulsada por las normativas globales de eficiencia, incluidas la directiva sobre diseño ecológico de la UE y las normas de la Unión Europea sobre carga universal por USB-C (Directiva 2022/2380). Las implementaciones discretas de GaN sufren con frecuencia de inductancias parásitas del encapsulado que inducen oscilaciones de conmutación e interferencias electromagnéticas a frecuencias superiores a 500 kHz. Los sistemas en encapsulado de semipuente integrados resuelven este inconveniente de trazado manteniendo las áreas del bucle de puerta por debajo de varios milímetros.

Dentro de la categoría de semipuente de 650 V, MasterGaN7 compite con plataformas integradas como los circuitos integrados de semipuente GaNFast de Navitas Semiconductor y las soluciones HiperLCS de Power Integrations. Los circuitos integrados GaNFast de Navitas integran control autónomo y detección de corriente sin pérdidas en etapas de potencia individuales, mientras que la arquitectura de MasterGaN7 conserva entradas de control digital independientes para el lado alto y el lado bajo. Esto mantiene una flexibilidad total para microcontroladores de terceros y controladores analógicos externos que ejecutan control en modo de corriente pico o algoritmos de conmutación por tensión cero sin requerir controladores PWM propietarios. Asimismo, mientras que los transistores HEMT de GaN discretos independientes precisan reguladores lineales externos o circuitos integrados de excitación de puerta multirraíl especializados para evitar la ruptura de la puerta, MasterGaN7 integra reguladores LDO internos específicos que admiten directamente los carriles estándar de alimentación del sistema.

Editado por Sucithra Mani, editora de Induportals – adaptado por IA.

www.st.com