Technologia GaN dla nowoczesnych systemów zasilania napięciowego wysokiego napięcia

Nick Flaherty pisze, że Power Integrations opracowało technologię na bazie tlenku galu (GaN), która może pracować przy napięciu do 2200 V w zastosowaniach takich jak silnikowe inwertery o dużej mocy oraz systemy ładowania o mocy megawatowa.

Konstrukcja nowego urządzenia zapewnia większy margines bezpieczeństwa przy wysokich napięciach, co przekłada się na znacznie wyższą niezawodność oraz umożliwia wyższe częstotliwości przełączania w mniejszych inwerterach.

„Zaczęliśmy w 2017 roku od technologii GaN o napięciu 1500 V, a następnie w 2024 roku wprowadziliśmy wersję o napięciu 1700 V, która okazała się idealna dla zastosowań samochodowych o napięciu 800 V. Nasz element o napięciu 900 V posiada certyfikat AEC i jest już używany w pojazdach, a jego produkcja stopniowo się zwiększa” – powiedział Roland Saint-Pierre, wiceprezes ds. rozwoju produktów w Power Integrations. „Ten element GaN o napięciu 2200 V zapewnia nam przyszłościową odporność na zastosowania wymagające napięć wyższych niż 800 V; ponad poziomie 1000 V konieczna jest większa zdolność prądowa.”

Urządzenie o napięciu 2200 V działa w trybie wyczerpania (tryb D) i jest stale włączone, łącząc się z tranzystorem MOSFET na krzemie w konfiguracji cascode. Konstrukcja typu cascode opiera się na substracie z szafiru, który jest kluczowym elementem umożliwiającym podniesienie napięcia do poziomu 2200 V.

Zastosowanie układu cascode oznacza, że zakres napięć przy bramce jest znacznie szerszy i nie ma potrzeby stosowania ujemnego napięcia. Napięcie progowe MOSFET wynosi 3 V, a maksymalne napięcie w standardowym układzie sterującym bramką może osiągać 15 lub 20 V. „Redukujemy również straty w porównaniu z modelem E-GaN” – powiedział.

„Dla autorskich ładowarek o mocy megawatowa pracujących przy 1500 V urządzenie o napięciu 2200 V jest idealne. Widzimy również tendencję do stosowania napięć 800 V w celu zmniejszenia masy pojazdów; już istnieją autobusy i ciężarówki z układami o napięciu 1200 V. Dlatego teraz, dzięki napięciu 2200 V, mamy dokładnie takie napięcie, jakiego potrzeba” – dodał.

„Prąd wycieku zaczyna rosnąć przy napięciu powyżej 4000 V, więc istnieje margines 2000 V. Na wskaźnik FIT [awaria w określonym czasie] wpływają dwa czynniki: temperatura i napięcie, a ten margines pozwala nam uzyskać wskaźnik FIT poniżej 1, co jest o rzędów wielkości lepsze niż w przypadku innych urządzeń.”

Firma wykazała ciągłą pracę przy napięciu 1760 V przy stałej rezystancji włączenia, co według niej jest pierwszym takim pokazem powyżej 1500 V. Zamiast większego nagrzewania spowodowanego wzrostem rezystancji włączenia przy wyższym napięciu przebicia, stała rezystancja włączenia zapewnia wyższą niezawodność, ponieważ efekty termiczne są stabilne.

„Pracujemy nad serią produktów. To więc pierwszy krok, a pełna prezentacja produktu ma nastąpić w drugiej połowie przyszłego roku [2027]. Technologia jest już bliska ostatecznej weryfikacji”, powiedział Saint-Pierre. Firma planuje wprowadzić na rynek urządzenia spełniające standardy motoryzacyjne w 2028 roku.

Kliknij tutaj, aby przeczytać najnowszy numer czasopisma E-Mobility Engineering.