Interruttore GaN bidirezionale per conversione ad alta tensione

L’efficienza e la riduzione dei componenti restano obiettivi chiave nella progettazione dell’elettronica di potenza per energie rinnovabili, mobilità elettrica e infrastrutture energetiche digitali. In questo contesto, Renesas Electronics Corporation ha introdotto un interruttore GaN bidirezionale ad alta tensione progettato per consentire topologie di conversione a singolo stadio più semplici.

Riduzione del numero di interruttori nelle topologie di conversione
La maggior parte dei progetti di convertitori ad alta potenza si basa su interruttori unidirezionali in silicio o carburo di silicio (SiC), che bloccano la corrente in una sola direzione quando sono in stato di interdizione. Ciò richiede generalmente architetture di conversione multi-stadio con più circuiti a ponte.

I microinverter solari rappresentano bene questo vincolo. Una progettazione tipica utilizza un ponte completo a quattro interruttori per la conversione DC-DC, seguito da un secondo stadio per la conversione DC-AC. Anche nei progetti a singolo stadio, gli ingegneri spesso compensano collegando interruttori convenzionali in configurazione back-to-back, aumentando il numero di dispositivi e le perdite di commutazione.

Il design GaN bidirezionale integra la capacità di blocco inverso in un singolo dispositivo, consentendo la conversione di potenza in un solo stadio con un numero inferiore di interruttori. In una tipica implementazione di microinverter solare, due dispositivi bidirezionali Renesas SuperGaN^® possono sostituire configurazioni di commutazione più complesse, eliminando anche i condensatori di collegamento DC intermedi.

Comportamento di commutazione e impatto sull’efficienza
I dispositivi di commutazione GaN consentono frequenze di commutazione più elevate grazie alla bassa carica immagazzinata e alle rapide transizioni, favorendo progetti con maggiore densità di potenza.

Test in una configurazione di microinverter solare a singolo stadio hanno mostrato un’efficienza di conversione superiore al 97,5 %, resa possibile dall’eliminazione delle configurazioni back-to-back e dall’uso ridotto di interruttori in silicio più lenti.

Ciò rende la tecnologia adatta a sistemi quali alimentatori per data center AI, caricabatterie di bordo per veicoli elettrici e convertitori solari distribuiti, dove le perdite di commutazione influenzano direttamente la progettazione termica e l’efficienza complessiva del sistema.

Architettura del dispositivo GaN e compatibilità del gate driver
Il TP65B110HRU integra un dispositivo GaN ad alta tensione in modalità depletion con due MOSFET in silicio a bassa tensione. Il design presenta una tensione di soglia tipica di 3 V, una tolleranza del gate di ±20 V e diodi body integrati per supportare la conduzione inversa.

A differenza dei dispositivi GaN bidirezionali in modalità enhancement, l’interruttore funziona con gate driver standard senza richiedere una polarizzazione negativa del gate. Ciò riduce la complessità del circuito di pilotaggio e consente una commutazione stabile sia in condizioni di hard switching sia di soft switching.

Per topologie a commutazione dura come i raddrizzatori Vienna, il dispositivo supporta una capacità dv/dt superiore a 100 V/ns, consentendo transizioni rapide con oscillazioni limitate e tempi di commutazione ridotti.

Parametri elettrici e dettagli di integrazione
Il dispositivo supporta un funzionamento continuo AC/DC fino a ±650 V e tensioni transitorie fino a ±800 V, con un valore tipico di RDS(on) pari a 110 mΩ a 25 °C.

Ulteriori specifiche includono un’immunità dv/dt superiore a 100 V/ns, una caduta di tensione di 1,8 V del diodo di ricircolo e un package TOLT con raffreddamento dal lato superiore e pinout standard di settore per facilitare la progettazione termica e la compatibilità PCB.

Kit di valutazione e progetti di riferimento
Un kit di valutazione (RTDACHB0000RS-MS-1) consente test con diverse configurazioni di gate driver, il rilevamento dello zero crossing AC e l’implementazione della commutazione a tensione zero (ZVS).

Il dispositivo fa inoltre parte dei progetti di riferimento di sistema Renesas, inclusi un microinverter solare da 500 W e piattaforme di raddrizzatori Vienna trifase, che combinano controller, gate driver e circuiti integrati di gestione dell’alimentazione compatibili per ridurre la complessità progettuale e i rischi di integrazione.

Edito dalla giornalista industriale Aishwarya Mambet, con assistenza dell’IA.

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