Tecnologia GaN per sistemi elettrici ad alta tensione della prossima generazione

Nick Flaherty scrive che Power Integrations ha sviluppato una tecnologia a nitruro di gallio (GaN) in grado di funzionare fino a 2200 V per invertitori motoristici ad alta potenza e sistemi di carica da megawatt.

La progettazione del nuovo dispositivo consente un margine maggiore a basse tensioni, il che si traduce in una affidabilità notevolmente più elevata, permettendo al contempo frequenze di commutazione più alte per invertitori di dimensioni ridotte.

“Abbiamo iniziato nel 2017 con il GaN da 1500 V e poi, nel 2024, con quello da 1700 V, che rappresentava la tensione ideale per i sistemi automobilistici a 800 V. Il nostro componente da 900 V è pienamente certificato AEC ed è già utilizzato nei veicoli oggi, con un aumento progressivo delle quantità prodotte”, ha dichiarato Roland Saint-Pierre, vicepresidente dello sviluppo dei prodotti presso Power Integrations. “Questo GaN da 2200 V ci prepara alle applicazioni che superano i 800 V; oltre i 1000 V è necessaria una maggiore capacità di corrente.”

Il dispositivo da 2200 V funziona in modalità di esaurimento (D-mode) ed è normalmente attivo insieme a un MOSFET in silicio in configurazione cascode. Il cascode è realizzato su un substrato di zaffiro, che rappresenta un componente fondamentale per portare la tensione a 2200 V.

La commutazione a cascode significa che l’intervallo di conformità per la porta è molto più ampio e non c’è bisogno di una tensione negativa. La tensione di soglia del MOSFET è di 3 V, mentre la tensione massima raggiunge i 15 o 20 V per un sistema di pilotaggio della porta standard. “Riduciamo anche le perdite rispetto al GaN in modalità E”, ha detto.

“Per i caricabatterie per veicoli automobilistici da un megawatt che operano a 1500 V, il dispositivo da 2200 V è ideale. Stiamo inoltre osservando una tendenza all’uso di tensioni più basse, intorno agli 800 V, per ridurre il peso del veicolo; già oggi esistono autobus e camion elettrici che funzionano a 1200 V. Quindi, con i 2200 V si ha proprio la tensione giusta”, ha detto.

“La corrente di perdita inizia ad aumentare al di sopra dei 4000 V, quindi esiste un margine di 2000 V. Ci sono due fattori che influenzano il tasso di guasti nel tempo, ovvero la temperatura e la tensione; questo margine ci permette di ottenere un tasso di guasti inferiore a 1, il che rappresenta un miglioramento di un ordine di grandezza rispetto ad altri dispositivi.”

L’azienda ha dimostrato una commutazione continua a 1760 V con una resistenza in carico costante, sostenendo che si tratti della prima dimostrazione di questo tipo al di sopra dei 1500 V. Invece di avere un aumento della temperatura dovuto all’aumento della resistenza in carico con la tensione di rottura più elevata, questa resistenza costante garantisce una maggiore affidabilità poiché gli effetti termici rimangono stabili.

“Stiamo sviluppando una serie di prodotti. Si tratta quindi di un primo passo, con l’introduzione del prodotto nella seconda metà dell’anno prossimo [2027]. La tecnologia è ormai vicina alla qualificazione finale”, ha dichiarato Saint-Pierre. L’azienda prevede di rendere disponibili dispositivi qualificati per l’uso automobilistico nel 2028.

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