Piattaforma di sviluppo per l'elettronica di potenza GaN

Rutronik ha ampliato il proprio portafoglio nel settore dell'elettronica di potenza con una nuova piattaforma di valutazione progettata per supportare lo sviluppo di azionamenti per motori e sistemi di conversione dell'energia basati sul nitruro di gallio (GaN). La piattaforma combina tecnologia avanzata di microcontrollori, semiconduttori GaN, componenti di rilevamento e funzioni di protezione in un unico ambiente di sviluppo destinato ad applicazioni in cui efficienza, densità di potenza e integrazione di sistema sono fattori determinanti.

Semiconduttori GaN nell'elettronica di potenza moderna
I transistor ad alta mobilità elettronica al nitruro di gallio (GaN HEMT) stanno trovando un impiego sempre più ampio nell'elettronica di potenza grazie alle loro caratteristiche intrinseche, che consentono frequenze di commutazione superiori rispetto ai tradizionali MOSFET al silicio.

La tecnologia beneficia di un'elevata mobilità elettronica, di una bassa carica di gate e di ridotte capacità parassite. Queste caratteristiche riducono le perdite di commutazione e la generazione di calore, consentendo al contempo l'utilizzo di induttori, condensatori e sistemi di raffreddamento più compatti. Di conseguenza, gli ingegneri possono progettare convertitori di potenza più compatti, con una maggiore densità di potenza e una migliore efficienza energetica.

Sebbene i dispositivi GaN abbiano generalmente un costo unitario superiore rispetto alle alternative basate sul silicio, l'analisi a livello di sistema ne favorisce spesso l'adozione. La riduzione delle esigenze di raffreddamento, il minor utilizzo di componenti passivi e la semplificazione dell'architettura del sistema possono compensare il costo più elevato dei semiconduttori e contribuire a ridurre il costo totale del sistema.

Architettura di controllo digitale per commutazione ad alta frequenza
La piattaforma di valutazione è basata sulla famiglia di microcontrollori PSOC Control con architettura Arm Cortex-M33. Il controllore è ottimizzato per applicazioni di conversione digitale della potenza e controllo motore che richiedono tempi di risposta rapidi e un comportamento di controllo deterministico.

Le principali specifiche includono una modulazione di larghezza d'impulso (PWM) ad alta risoluzione con una precisione inferiore a 100 picosecondi, convertitori analogico-digitali in grado di operare fino a 12 milioni di campioni al secondo e comparatori ad alta velocità integrati con tempi di risposta inferiori a 10 nanosecondi.

La piattaforma integra inoltre acceleratori hardware come l'elaborazione CORDIC e un'architettura di trigger a bassa latenza. Queste funzionalità supportano algoritmi di controllo avanzati che devono operare in modo affidabile a frequenze di commutazione elevate, tipiche dei sistemi di potenza basati sul GaN.

Supporto per azionamenti motore e conversione DC-DC
Il kit di sviluppo supporta diverse topologie di conversione della potenza. Tra queste figurano sistemi di azionamento motore trifase BLDC e PMSM a 48 V, oltre ad applicazioni di convertitori buck DC-DC.

La combinazione di controllo digitale ad alta velocità e GaN HEMT integrati consente la valutazione di architetture di commutazione ad alta frequenza che possono migliorare l'efficienza di conversione riducendo al contempo le dimensioni dei componenti magnetici.

Queste capacità risultano particolarmente rilevanti nei sistemi di automazione industriale, nelle piattaforme per la mobilità elettrica, nelle apparecchiature per energie rinnovabili e nelle infrastrutture di alimentazione per telecomunicazioni, dove efficienza e compattezza del sistema rappresentano obiettivi progettuali sempre più importanti.

Funzioni integrate di protezione e misura della corrente
La piattaforma incorpora diversi meccanismi di protezione progettati per semplificare lo sviluppo e migliorare l'affidabilità del sistema.

Tra questi figurano la protezione contro la corrente di spunto, il rilevamento hardware delle sovracorrenti e la misura della corrente mediante tecnologia di rilevamento a magnetoresistenza tunnel (TMR) sviluppata da Infineon Technologies.

Una misura accurata della corrente e una rapida individuazione dei guasti sono requisiti fondamentali nei sistemi di potenza ad alta frequenza, poiché gli eventi di commutazione avvengono in intervalli di tempo estremamente ridotti. Le funzioni di protezione integrate aiutano gli ingegneri a validare i progetti riducendo la complessità dello sviluppo.

Sviluppo a livello di sistema e prototipazione rapida
La piattaforma adotta un approccio di sviluppo a livello di sistema integrando diverse tecnologie provenienti dal portafoglio componenti di Rutronik. Il design comprende interfacce di misura, possibilità di espansione e compatibilità con schede di sviluppo basate su Arduino.

Questa architettura consente agli ingegneri di valutare configurazioni hardware, validare algoritmi di controllo e testare progetti specifici per applicazioni particolari prima del passaggio all'hardware destinato alla produzione.

L'approccio riflette una tendenza più ampia nello sviluppo dell'elettronica di potenza, in cui le piattaforme di valutazione forniscono sempre più spesso ambienti di riferimento completi anziché concentrarsi esclusivamente su singoli dispositivi semiconduttori.

Applicazioni nell'automazione industriale e nei sistemi energetici
La piattaforma si rivolge a diversi settori applicativi nei quali efficienza energetica e design compatto stanno diventando requisiti fondamentali.

Le applicazioni nell'automazione industriale includono servoazionamenti, sistemi robotici e veicoli a guida automatica (AGV). Nel settore delle energie rinnovabili, i casi d'uso comprendono inverter solari, sistemi di accumulo energetico a batteria e infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici. Ulteriori mercati di riferimento includono sistemi di mobilità elettrica a 48 V, alimentatori per server, infrastrutture di telecomunicazione, dispositivi per smart home ed elettrodomestici.

La crescente domanda di sistemi elettrici ad alta efficienza in questi settori ha aumentato l'interesse verso le tecnologie a semiconduttore a banda proibita ampia, capaci di offrire prestazioni superiori rispetto ai tradizionali dispositivi basati sul silicio.

Contesto aggiuntivo
Questa sezione fornisce specifiche tecniche e confronti competitivi non inclusi nel comunicato stampa originale.

Le piattaforme di sviluppo basate sul GaN sono sempre più frequentemente offerte da produttori di semiconduttori e partner dell'ecosistema, tra cui Texas Instruments, STMicroelectronics, Infineon Technologies, Navitas Semiconductor ed EPC. I criteri di confronto più comuni includono capacità di frequenza di commutazione, densità di potenza, efficienza, integrazione dei gate driver, funzionalità di rilevamento e prestazioni del controllo digitale.

La risoluzione PWM inferiore a 100 ps, la capacità di conversione analogico-digitale di 12 MSPS e i tempi di risposta dei comparatori inferiori a 10 ns collocano la piattaforma nella categoria ad alte prestazioni dei sistemi di controllo digitale della potenza. Ambienti di sviluppo comparabili combinano spesso dispositivi GaN con controllori digitali, ma possono richiedere circuiti esterni aggiuntivi per il rilevamento e la protezione.

Nelle applicazioni di controllo motore e conversione della potenza, la tecnologia GaN viene frequentemente confrontata con le soluzioni basate su MOSFET al silicio e carburo di silicio (SiC). Mentre i dispositivi SiC dominano generalmente le applicazioni ad alta tensione superiori a diverse centinaia di volt, i dispositivi GaN sono spesso preferiti nei sistemi a bassa e media tensione grazie alla loro capacità di operare a frequenze di commutazione più elevate, consentendo l'utilizzo di componenti passivi più piccoli e una maggiore densità di potenza.

Poiché l'automazione industriale, le infrastrutture per le energie rinnovabili e i sistemi di alimentazione dei data center richiedono livelli sempre più elevati di efficienza, le piattaforme di elettronica di potenza basate sul GaN stanno diventando uno strumento importante per accelerare lo sviluppo delle architetture di conversione dell'energia di nuova generazione.

Edito da Aishwarya Mambet, redattrice di Induportals, con il supporto dell’IA.

www.rutronik.com