1. É mostrado um diagrama simplificado do transistor LMG34xR070 GaN HEMT e seu driver de porta integrado.

Transistores GaN no jogo em confiabilidade e eficiência de energia

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Você já usou transistores de nitreto de gálio (GaN) em seus projetos? Se não, agora pode ser o momento de considerar. Os dispositivos GaN já existem há vários anos, mas os métodos de fabricação aprimorados agora os tornam mais baratos do que há um ano ou mais.

Além disso, os dispositivos GaN tornaram-se mais confiáveis ​​e as especificações de comutação aprimoradas trazem maior eficiência. Se você estiver projetando equipamentos de energia eletrônica, poderá estar negligenciando uma solução superior que possa trazer algumas melhorias e benefícios reais ao seu projeto.

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Atualização do GaN

O cavalo de batalha da eletrônica de potência nos últimos anos tem sido o popular transistor LDMOS. Este dispositivo robusto passou por melhorias contínuas e seu custo caiu. Esses componentes no modo de aprimoramento podem suportar muitas centenas de watts de energia e alternar com rapidez suficiente para muitos tipos de fontes de alimentação no modo de comutação (SMPS). Suas limitações são principalmente velocidade, falta de capacidade de lidar com altas tensões e ineficiências. No entanto, o LDMOS encontrou seu caminho em muitos projetos SMPS, bem como em amplificadores de potência de RF (

No entanto, há alguns anos, vários fornecedores de semicondutores lançaram novos transistores baseados em materiais de largura de banda larga (WBG) que oferecem maior mobilidade eletrônica e energia de largura de banda que o silício. Como resultado, eles podem operar em frequências muito mais altas e alternar mais rapidamente do que os dispositivos LDMOS que estão substituindo.

Os dispositivos WBG mais comuns são semicondutores compostos usando arseneto de gálio (GaAs), GaN e carboneto de silício (SiC). Embora eles sejam um pouco mais difíceis de produzir e custem mais do que as variedades Si LDMOS, esses dispositivos oferecem alguns benefícios adicionais. Por exemplo, eles também podem suportar tensões muito mais altas e temperaturas operacionais mais altas. E sua baixa resistência e capacidade de comutação mais rápida os tornam muito mais eficientes.

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Os dispositivos GaN realmente se destacaram no campo da RF. Sua capacidade de alta frequência se estende a cerca de 50 GHz e podem suportar tensões operacionais de até 100 V. Os transistores de RF GaN foram agora amplamente incorporados em muitos dispositivos de comunicação, como transmissores de rádio, radares, satélites e equipamentos de guerra eletrônica de todos os tipos. Novos dispositivos GaN agora estão aparecendo mais em equipamentos de energia.

Transistores GaN

Os transistores GaN se dividem em duas categorias principais: o FET do transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT) e o MOSFET do modo de aprimoramento padrão. Os FETs HEMT conduzem continuamente e precisam de uma tensão negativa no portão para influenciá-los e controlar a corrente de drenagem. Os HEMTs são mais parecidos com os MESFETs, um JFET de alta frequência. Eles são um pouco complicados de trabalhar, pois exigem acionamentos especiais e polarização. Os MOSFETs padrão do modo de aprimoramento geralmente são mais fáceis de usar, mas a tensão do limiar de porta varia de um dispositivo para o outro. Com a polarização do portão e o problema de controle sendo resolvidos, o GaN HEMT é fácil de projetar.

Um dos dispositivos HEMT GaN mais recentes é o LMG341xR070 da Texas Instruments. É um dispositivo de energia GaN, mas possui um driver de porta integrado, juntamente com vários recursos de proteção, como proteção contra sobrecorrente (OCP), proteção contra sobretensão (OTP) e bloqueio de subtensão (UNLV). figura 1 mostra um diagrama simplificado do LMG341xR070.

1. É mostrado um diagrama simplificado do transistor LMG34xR070 GaN HEMT e seu driver de porta integrado. 1. É mostrado um diagrama simplificado do transistor LMG34xR070 GaN HEMT e seu driver de porta integrado.

Algumas de suas principais especificações incluem:

  • Tensão máxima da fonte de drenagem: 600 V (até 800 V para transientes)
  • Corrente de drenagem contínua máxima: 40 A a 25 ° C (30 A a 100 ° C)
  • Tensão de alimentação CC: 20 V (LDO interno de 5 V é incorporado para operar circuitos externos)
  • Taxa de variação ajustável de 30 a 100 V / ns
  • On-resistência tipicamente 70 mΩ
  • O circuito interno gera uma tensão de alimentação negativa para alimentar o driver de porta e outros circuitos
  • Embalagem: QFN 8 × 8 mm
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Os transistores LMG341xR070 GaN possuem excelentes características competitivas. Primeiro, os dispositivos de TI são muito confiáveis ​​- a empresa vem testando seus interruptores GaN coletivamente há cerca de 20 milhões de horas. Mesmo quando usado em aplicações de comutação rígida, como a maioria dos SMPS, onde ocorrem transitórios simultâneos de alta corrente e alta tensão, a confiabilidade é sólida.

Segundo, esses dispositivos são mais eficientes. Com comutação seletiva mais rápida de 30 V / ns a 100V / ns e baixa resistência na faixa de 50 a 150 mΩ, a eficiência é normalmente melhor do que dispositivos comparáveis. Isso fornece a maior velocidade de comutação do setor, além de perdas 50% menores em aplicações de 65 W a> 10 kW. E terceiro, o LMG341xR070 é menor que a maioria dos outros dispositivos comparáveis.

O ponto principal é que o GaN pode fornecer mais energia em menos espaço, economizando energia e reduzindo os custos operacionais. E você não precisa se enganar com o desvio do portão.

Como os dispositivos GaN funcionam

Os dispositivos GaN HEMT são FETs no modo de depleção. Assim, eles estão conduzindo com tensão de porta zero. Para influenciar o transistor e controlar a corrente de drenagem, uma tensão negativa é aplicada ao portão. Isso significa uma fonte de alimentação negativa e alguma tensão de polarização que normalmente precisa ser aplicada em uma sequência de ativação específica, como tensão de porta primeiro, tensão de dreno em seguida etc. Esses problemas são desanimadores para a maioria dos projetistas que desejam os benefícios do Transistores HEMT GaN, mas não querem lidar com o viés e a complexidade da unidade. O driver de porta integral no LMG341xR070 cuida desses problemas.

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MOSFETs no modo de aprimoramento são comumente usados ​​em aplicativos de comutação de energia. Esses dispositivos normalmente estão desligados até a tensão do limiar de porta ser aplicada. Essa configuração geralmente é mais fácil de projetar.

Embora os transistores GaN no modo de aprimoramento estejam agora disponíveis, uma solução popular popular é conectar o dispositivo HEMT no código de cas com um MOSFET comum no modo de aprimoramento de silício (Figura 2). Essa combinação oferece os benefícios do GaN, além da operação no modo de aprimoramento. Com o LMG341xR070, você não precisa mais recorrer a essas configurações.

2. Uma conexão cascode com um GaN HEMT e um Si MOSFET fornece operação no modo de aprimoramento com benefícios do GaN.2. Uma conexão cascode com um GaN HEMT e um Si MOSFET fornece operação no modo de aprimoramento com benefícios do GaN.

Em suma

Se você estiver projetando um dos seguintes produtos ou similares, seus circuitos podem ter um desempenho melhor com dispositivos GaN:

  • Fontes de alimentação comutadas industriais e comerciais
  • Acionamentos de motores industriais
  • Conversores DC-DC
  • Reguladores
  • Circuitos PFC
  • Carregadores de pilhas
  • Fontes de alimentação ininterruptas (UPS)
  • Inversores solares

Os transistores GaN ainda competem com outros dispositivos de potência, como os MOSFETs LDMOS e SiC. No entanto, os dispositivos GaN oferecem algumas especificações e recursos superiores que os diferenciam. Eles são mais eficientes, mais rápidos e suportam tensões de alimentação de 600 V. Eles podem lidar com níveis de energia de até 10 kW. E, como resultado de 20 milhões de horas de teste, a confiabilidade é excelente. Além disso, o driver do portão integrado e todos os circuitos de proteção tornam o design rápido e fácil.

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