Ormai sono decenni che la tecnologia del silicio nei circuiti integrati ci stupisce. Nel momento in cui la si dichiara quasi sorpassata, risorge con performance sino a quel momento inimmaginabili. Sembra però che siamo arrivati a un punto di svolta, le nuove applicazioni di potenza, soprattutto in ambito automotive, richiedono funzionamenti a tensioni e frequenze di commutazione elevate per ridurre al massimo le perdite. Il gallio, il promesso successore del silicio, sembra aver trovato un’applicazione per il suo riscatto. Stiamo parlando dei GaN FET ( transistor ad effetto di campo al nitruro di gallio), che forse saranno la vera rivoluzione dei prossimi anni.
In questo articolo parleremo di un chip GaN FET costituito da due transistor, un MOSFET al silicio che funziona a basse tensioni, e il GaN FET vero e proprio che può arrivare a Vds doppie a quella nominale senza temere la sua distruzione per effetto valanga e a temperature di giunzione che vanno da -55 a 175 gradi Celsius. Si ha un minimo likage fino a raggiungere un livello di tensione pari a due volte la tensione nominale. Raggiunta questa soglia (breakdown), le prestazioni degradano precipitosamente ( e questo su tutto il range di temperatura!).
Rispetto a un MOSFET con prestazioni similari, il GaN subisce una minore degradazione delle prestazioni con la temperatura. L’assenza dell’effetto valanga assicura maggiore immunità alle radiazioni ionizzanti e maggiore resistenza ai transitori di sovratensione (si parla di impulsi dell’ordine del μs con un duty cycle di circa 0,01). La tensione di gate massima è quella tipica di un MOSFET, quindi la sezione di driving non dovrà essere dissimile, senonché, essendo la capacità di gate molto bassa e così anche la Vgs di soglia (4-6V), non è strettamente necessario usare tensioni di gate negative per il completo spegnimento.
La resistenza di commutazione (Rds on) è molto bassa, anche se, risentendo un po’ della mobilità delle cariche nella giunzione, dipende dalla temperatura .
Queste caratteristiche, a parità di applicazione, permettono l’utilizzo dispositivi GaN più piccoli rispetto ai MOSFET.
I tempi di commutazione sono molto buoni, si parla di un turn on delay time di una cinquantina di nanosecondi e un turn off delay di meno di un centinaio di ns con rise e fall time di una decina di ns. Trattandosi di transistor a effetto di campo, con capacità e induttanze parassite comunque non trascurabili per le alte velocità di commutazione (ma inferiori ai dispositivi al silicio), in applicazioni in cui i GaN FET sono usati in configurazione half-bridge, per evitare sovra-elongazioni in uscita, è consigliabile aggiungere un circuito di snubber sul transistor low side. La resistenza e il condensatore in serie garantiscono maggiore stabilità al circuito, smorzando l’effetto dei parametri parassiti al variare veloce della corrente.
Le applicazioni più comuni riguardano i DC/DC converter, i circuiti di potenza dei dispositivi LiDAR per la guida autonoma, i sensori radar, i sistemi di ricarica wireless, i sistemi di illuminazione e quelle applicazioni in cui alte tensioni di commutazione e alti slew-rate devono coesistere.