Los interruptores bidireccionales de GaN revolucionan la gestión de la alimentación

Hasta ahora los diseñadores se han limitado a usar dos MOSFET de tipo N conectados en oposición dentro de una configuración de fuente común (Figura 1). Una solución de este tipo exige dos componentes y sufre limitaciones relacionadas con la resistencia en conducción (RDS(on)), el área de funcionamiento seguro (SOA) y otros parámetros (Figura 1). El interruptor bidireccional de nitruro de galio (BiGaN™) de Innoscience es una solución revolucionaria que disminuye la disipación de potencia y ocupa un espacio notablemente más pequeño. Este artículo describe la innovadora estructura de nuestro dispositivo BiGaN, revisa el rendimiento de los dispositivos BiGaN y explica varias configuraciones de control para BiGaN.

Las limitaciones que conlleva la integración de MOSFET se suelen deben a su estructura vertical ya que dificulta enormemente la colocación de dos FET en una sola pastilla con un coste optimizado, la RDS(on) y los valores de tensión para dispositivos con una tensión nominal de unos 30 V y superiores. Las estructuras laterales de los transistores HEMT (high electron mobility transistors) de GaN y la ausencia de un diodo intrínseco parásito facilitan relativamente la creación de un interruptor bidireccional monolítico de GaN.

Por ejemplo, en un smartphone la sustitución de los MOSFET conectados en oposición por un HEMT BiGaN reduce la resistencia en conducción en un 50%, el tamaño del chip en un 70% y al aumento de la temperatura en un 40%. ¿Cómo se consigue?

La adopción de un interruptor de protección frente a sobretensiones (OVP) en el sistema de gestión de la batería de un smartphone está impulsada por el deseo de reducir las pérdidas totales ocupando el mínimo espacio posible. En este caso concreto, el interruptor de potencia está bloqueando tensión o conduciendo corriente sin necesidad de una conmutación frecuente entre estos dos estados. Por tanto, las pérdidas en conmutación provocadas por la carga de la puerta no son importantes. Las pérdidas totales se deben principalmente a las pérdidas en conducción y por tanto a la resistencia total en conducción.

La OVP se ha venido implementando generalmente conectando MOSFET discretos en oposición. Innoscience ha desarrollado y comercializado su nueva tecnología de dispositivos BiGaN, cuyo tamaño solo es un poco más grande que un típico HEMT de GaN. Su resistencia en conducción es significativamente más baja y es una solución más pequeña si se compara con el uso de dos dispositivos discretos en una configuración de interruptor bidireccional.

En un MOSFET convencional, RDS(on) es la resistencia entre el drenador y la fuente cuando el dispositivo está en plena conducción. El valor equivalente en un dispositivo BiGaN es RDD(on), la resistencia entre los dos drenadores cuando el dispositivo está en plena conducción. Para el interruptor bidireccional BiGaN INN040W048A de 40 V con una corriente del drenador de 20 A, la RDD(on) máxima solo es de 4,8 mΩ, por lo que las pérdidas en conducción son muy bajas.

El encapsulado puede contribuir mucho a aumentar la resistencia en conducción. La estructura lateral de los dispositivos BiGaN permite utilizar un encapsulado WLSCP (wafer level chip scale package) que solo mide 2,1 x 2,1 x 0,54 mm en el INN040W048A. Este encapsulado tiene una mínima resistencia parásita, por lo que ayuda a disminuir las pérdidas en conducción y la disipación térmica. El pequeño tamaño del encapsulado también ofrece un excelente valor del producto de la resistencia en conducción por el área (Ron*A), un factor importante para miniaturizar el sistema. Y un solo dispositivo BiGaN sustituye a dos MOSFET, además de contribuir a reducir el tamaño de las soluciones y la lista de materiales.

Los clientes pueden establecer varios compromisos con los dispositivos BiGaN de Innoscience. Una opción consiste en mantener el espacio existente, reducir significativamente la resistencia en conducción y, por tanto, limitar también el incremento de la temperatura durante la carga. Otra alternativa es que BiGaN de Innoscience permite disminuir de manera notable el espacio necesario para la función OVP conservando una buena resistencia en conducción y por tanto la eficiencia. La Figura 2 resume los logros que aporta el INN040W048A para la gestión de la alimentación por batería en un smartphone.

La SOA es un aspecto importante en las aplicaciones de conmutación de cargas. Se trata de las combinaciones de tensión y corriente que admite un dispositivo sin sufrir daños ni disminuir su rendimiento. Entre los factores que pueden limitar la SOA se encuentran la resistencia en conducción, el encapsulado y aspectos de tipo térmico. Mejorar la SOA de un MOFET de silicio resulta complicado debido al coeficiente de temperatura negativo de la tensión de umbral (Vth). La menor dependencia de la temperatura respecto a VTH en los dispositivos de GaN puede hacer que BiGaN conserve sus mejores prestaciones en cuanto a la SOA con una alta temperatura.

La fuga en la puerta es otra especificación importante en las aplicaciones de bloqueo de bidireccional de tensión. Los MOSFET de silicio presentan un nivel muy bueno de fugas en la puerta. Estos dispositivos tienen la puerta aislada del canal mediante la oxidación de la puerta, obteniendo así un nivel de fuga por debajo de 1 μA a 25 °C. Dado que la Vth de un MOSFET de silicio disminuye a temperaturas más altas, la corriente de fuga aumenta cuando las temperaturas son elevadas.

Los dispositivos BiGaN tienen una estructura de puerta inherentemente distinta que se puede visualizar como dos diodos en oposición (Figura 4). El diodo superior es una estructura Schottky con metal de puerta como cátodo y el pGaN como ánodo. El diodo inferior es una estructura de unión con un ánodo de pGaN y un cátodo de AlGaN. Sin un control adecuado, la fuga en la puerta de un dispositivo BiGaN sería mayor que en un MOSFET de silicio. El equipo de I+D de Innoscience ha desarrollado los pasos y los controles de un nuevo proceso para que la fuga en la puerta esté por debajo de 3 μA a 85 °C durante toda la vida útil del dispositivo. Este requisito era primordial para su uso en smartphones.

Se espera que todos los interruptores de potencia ofrezcan un funcionamiento robusto de la puerta y el drenador. A 5,0 V (VGD) y 125 °C, la vida útil de los dispositivos BiGaN bajo un esfuerzo continuo para una tasa de fallos del 0,001% (10 ppm) supera los 23 años. En las aplicaciones reales se pueden generar picos de tensión en la puerta a causa, por ejemplo a causa de cortocircuitos. Los dispositivos BiGaN son capaces de resistir pulsos en la puerta hasta 10 millones de ciclos a ≤8,5 V con una anchura de pulso de 1 µs a 25 °C y 85 °C, y de 100.000 ciclos a 9,5 V y 85 °C.

Para medir la robustez del drenador, los dispositivos INN040W048A se expusieron a un esfuerzo continuo de 68 V, 69 V y 70 V a 125 °C. La ruptura del dieléctrico dependiente del tiempo (time dependent dielectric breakdown, TDDB) del drenador cumple la distribución de Weibull y aplicando la técnica más conservadora al modelado de TDDB se obtiene que, a 32 V (VDD) y 125 °C, la vida útil para una tasa de fallos del 0,001% (10 ppm) supera los 10.000 años para BiGaN.

Si la tensión de control es de 5 V, los drivers existentes utilizados con MOSFET de silicio conectados en oposición se pueden usar con BiGaN. En el caso de los smartphones, la mayoría de los circuitos integrados de carga son compatibles con los HEMT de GaN con una tensión de control de la puerta de 5 V. Los drivers como el SC8571 de Southchip, el NU2205 de NuVolta Tech, los drivers de condensadores de conmutación de Texas Instruments y los circuitos integrados de gestión de la alimentación (PMIC) de Qualcomm son apropiados para controlar BiGaN.

La tensión de la puerta necesita estar como mínimo Vth (~1,7 V) por encima del Drenador1 o el Drenador2 para que un dispositivo BiGaN pase a conducir. Para desconectarlo y bloquear el flujo de corriente en ambas direcciones, las tensiones de la puerta y del drenador (VGD1 y VGD2) deben estar por debajo de Vth. Al llevar la puerta a tierra se desconecta un dispositivo BiGaN. En aplicaciones de 5 V se puede usar una bomba de carga para controlar BiGaN (Figura 7). La tensión de la puerta será cero cuando EN está en estado bajo y el BiGaN se desconectará. Cuando EN esté en estado alto, la tensión de la puerta se llevará hasta VIN + 5 V, el BiGaN pasará a conducir y VOUT será igual a VIN.

En aplicaciones distintas a los smartphones no se suelen emplear circuitos integrados para controlar la puerta a 5 V. Estas aplicaciones usan drivers con una tensión de unos 10 V que se han diseñado para conseguir la RDS(on) más baja de los MOSFET de silicio. Esos drivers no se pueden usar directamente para controlar HEMT de GaN porque la tensión de control excede el valor máximo admitido por la puerta. En estas aplicaciones se puede utilizar un circuito de enclavamiento en el que los diodos Zener (D1 y D2) se emplean para limitar VGD por debajo de 6 V (Figura 8). Los diodos D4 y D5 tienen una tensión de ruptura superior a 40 V para proporcionar el bloqueo entre drenador y puerta.

La disponibilidad de GaN sobre silicio con un alto rendimiento y un bajo coste ha permitido el desarrollo de dispositivos BiGaN que pueden mejorar el funcionamiento de los circuitos de conmutación destinados a dispositivos como los smartphones que se alimentan con varias fuentes, los interruptores de carga en el lado de alto potencial, la protección frente a sobretensiones en puertos USB y otras aplicaciones similares. Como se ha explicado, BiGaN es fiable y fácil de usar. En smartphones, BiGaN admite la carga rápida con menores aumentos de la temperatura si se compara con soluciones basadas en MOSFET de silicio conectados en oposición. Además, el pequeño tamaño de la solución basada en BiGaN permite colocar los dispositivos en el terminal, en lugar del cargador, para controlar la carga de la batería y descargar corrientes. Extraer esa función del cargador puede facilitar que el tamaño del cargador sea menor. BiGaN es un desarrollo revolucionario que abre la puerta a nuevos paradigmas de diseño.