Explore as Soluções Wide Bandgap da Texas Instruments

Tudo começou com uma calculadora.

Quando eu estava no ensino médio e na faculdade, a ferramenta que sempre usei como engenheiro inexperiente era a calculadora Texas Instruments (TI) 30 (Figura 1). A coisa era indestrutível. Eu costumava demonstrar sua resistência soltando-a das escadas de incêndio do terceiro andar para a grama abaixo, e ainda funcionava. Eu costumava jogá-los nas paredes da escola, e nunca quebrou. Nada que eu comprei provou ser um valor tão excelente quanto este teclado 5 x 8, uma maravilha matemática computacional. Foi minha introdução à Texas Instruments. E fiquei impressionado. Eu queria trabalhar para eles.

Figura 1: Calculadora vintage TI-30 (Fonte: France1978/ CC BY-SA 2.0)

Ao longo da minha jornada de engenharia, aprendi que a TI é especialista em gerenciamento de energia. O gerenciamento de energia é um tópico essencial, pois a eletrificação leva os desenvolvedores a buscar uma eficiência cada vez maior, e as necessidades do mercado de energia de alta tensão estão crescendo. A Texas Instruments acredita que as tecnologias de banda larga (WBG – Wide Bandgap), como nitreto de gálio (GaN), desempenharão um papel fundamental na resposta à demanda por maior eficiência, desempenho e confiabilidade de sistemas de alta tensão. A TI está aplicando sua experiência para inovar no espaço de alta potência, focando em soluções de GaN altamente integradas. A abordagem de integração da TI é única no setor, permitindo máximo desempenho, densidade de energia, facilidade de projeto e menor custo do sistema.

Por que GaN?

Os CIs GaN ajudam a maximizar a densidade de energia e a eficiência. O uso de dispositivos GaN pode reduzir a perda de energia em 80% em conversores de energia. A família TI de GaN FETs com gate drivers integrados e dispositivos de alimentação GaN oferece a solução GaN mais eficiente com confiabilidade de vida útil e vantagens de custo. Os transistores GaN alternam muito mais rápido que os MOSFETs de silício, o que permite que os engenheiros projetem estágios de potência de frequência mais alta com componentes magnéticos menores. Além disso, o GaN fornece melhoria na densidade de energia, oferecendo o potencial de obter perdas de comutação mais baixas.

Velocidade de comutação mais rápida do que FETs GaN discretos

Os FETs GaN com drivers integrados da TI podem atingir velocidades de comutação de 150V/ns. Essas velocidades de comutação, combinadas com um encapsulamento que possibilita de baixa indutância, reduzem as perdas e permitem uma comutação limpa.

Magnetismo menor, densidade de potência mais alta

Habilitados por velocidades de comutação mais rápidas, os dispositivos GaN da TI podem ajudá-lo a alcançar frequências de comutação acima de 500kHz, o que resulta em magnetismo até 60% menor, desempenho aprimorado e menor custo do sistema.

Construído para Confiabilidade

Os dispositivos GaN da TI são projetados para manter os sistemas de alta tensão seguros, graças a um processo proprietário GaN-on-Si, mais de 40 milhões de horas de testes de confiabilidade e recursos de proteção.

Os desenvolvedores de hardware usam os CIs GaN da TI em muitas aplicações, desde telecomunicações, servidores, unidades de motor e adaptadores de laptop até carregadores integrados para veículos elétricos.

GaN da TI para servidores

Os racks de servidor são avaliados por seu poder computacional de acordo com o consumo de energia necessário e o espaço físico (Figura 2). Isso significa uma necessidade sempre presente de aumentar a fonte de alimentação do servidor. Além disso, cada watt (W) de saída de calor é um watt de resfriamento exigido pela instalação do servidor. Um por cento de melhoria na eficiência de energia equivale a aproximadamente US$ 70 de economia para cada 1 kW de capacidade de fonte de alimentação. Os FETs GaN também têm perdas de comutação mais baixas quando comparados aos FETs tradicionais de silício (Si). Ao longo da vida útil do servidor, as economias obtidas com eficiências mais altas em um data center podem equivaler a milhões de dólares.

Wide Bandgap
Figura 2: Os racks de servidor maximizam o poder computacional, a eficiência energética e o espaço físico. (Fonte: Michael – adobestock.com)

Uma ampla gama de aplicações industriais requer gabinetes à prova de intempéries ou têm capacidades de refrigeração limitadas; como resultado, eles exigem dissipadores de calor caros para funcionar corretamente. Essas aplicações são onde o valor das soluções GaN da TI tem ótimo desempenho. Eles fornecem densidades de potência mais altas em um espaço menor no mesmo nível de potência. Alcançar mais potência no mesmo espaço é realizado pela capacidade do GaN de alternar em frequências mais altas. Isso permite que os clientes reduzam o tamanho das unidades de fonte de alimentação (PSUs) do servidor, reduzindo as perdas de energia — em aproximadamente 30% a 40% — e o consumo de energia.

Para o setor automotico

A eletrificação de veículos está transformando a indústria automotiva, e os consumidores estão cada vez mais exigentes em veículos que possam carregar mais rápido e que possam ter mais autonomia. Por conta dessas demandas, os engenheiros estão sendo desafiados a projetar sistemas automotivos compactos e leves sem comprometer o desempenho do veículo. A TI possui GaN FETs automotivos que permitem a redução no tamanho de carregadores de bordo de veículos elétricos (EV) e conversores DC/DC em até 50% em comparação com as soluções existentes de Si ou SiC. O resultado é permitir que os engenheiros alcancem uma faixa de bateria estendida, maior confiabilidade do sistema e menor custo de projeto.

Solução Unicamente Integrada

A abordagem específica da Texas Instruments para integrar o driver de gate e outras funcionalidades com transistores de efeito de campo (FETs) GaN oferece a solução melhor e mais simples para GaN em todo o mercado. A integração de drivers de gate com os GaN FETs melhora o desempenho. Muitos fabricantes de semicondutores integram os drivers, mas apenas a TI é única porque, atualmente, eles também integram recursos de polarização e segurança (Figura 3). Isso agrega valor aos clientes, ajudando a reduzir parasitas entre drivers e FETs. Ele simultaneamente reduz a indutância do loop, o que ajuda a levar a velocidades de comutação mais rápidas (> 2x). Outros recursos de integração simplificam o projeto ao lidar com recursos de proteção e gerenciamento de energia.

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Figura 3: A Texas Instruments oferece drivers de gate integrados com GAN FETs de forma exclusiva. (Texas Instruments)

TI e Mouser GaN Juntas

A Placa de Avaliação Texas Instruments LMG34XX-BB-EVM GaN System é uma solução totalmente integrada que pode ser usada para prototipagem (Figura 4). Essa placa de breakout simplifica ainda mais o processo de design com o GaN e o torna amigável para os engenheiros. Pode ser empregado para configurar qualquer placa meia ponte LMG34xx, como um conversor buck síncrono. Ao fornecer um estágio de potência, potência de polarização e circuitos lógicos, este módulo de avaliação permite medições rápidas da comutação do dispositivo GaN. Este módulo de avaliação pode fornecer corrente de saída adequada com gerenciamento térmico adequado (ar forçado, operação de baixa frequência, etc.) para garantir que a temperatura máxima de operação não seja excedida.

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Figura 4: Texas Instruments LMG34XX-BB-EVM GaN System Evaluation Board (Mouser Electronics)

Conclusão

Minha calculadora TI-30 era uma potência computacional integrada para sua época. Da mesma forma, a TI também é uma companhia inovadora e líder quando se trata de soluções GaN que desempenham um papel crucial na resposta à demanda por maior eficiência, desempenho e confiabilidade de sistemas de alta tensão. Procurando uma abordagem integrada que seja verdadeiramente única na indústria, permitindo o máximo desempenho, densidade de potência, facilidade de projeto e menor custo do sistema? Olhe para TI.

Artigo escrito por Paul Golata e publicado no blog da Mouser Electronics: Texas Instruments Wide Bandgap Solutions

Traduzido por Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics

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