Tecnologia GaN para sistemas de energia de alta tensão da próxima geração

Nick Flaherty relata que a Power Integrations desenvolveu uma tecnologia de nitreto de gálio (GaN) capaz de operar a até 2200 V para inversores de motores de alta potência e sistemas de carregamento em megawatts.

O design do novo dispositivo permite uma margem maior em altas tensões, o que se traduz em confiabilidade significativamente maior, além de possibilitar frequências de comutação mais elevadas para inversores menores.

“Começamos em 2017 com o GaN de 1500 V e, em 2024, passamos para 1700 V, que era a tensão perfeita para aplicações automotivas de 800 V. Nosso componente de 900 V possui certificação AEC completa e já está sendo utilizado em veículos atualmente, com aumento progressivo em seu volume de produção”, disse Roland Saint-Pierre, vice-presidente de desenvolvimento de produtos na Power Integrations. “Esse GaN de 2200 V nos prepara para aplicações que vão além dos 800 V; acima de 1000 V, é necessária uma maior capacidade de corrente.”

O dispositivo de 2200 V opera no modo de esvaziamento (modo D) e fica normalmente ativado em conjunto com um MOSFET de silício em configuração cascode. O cascode é construído sobre um substrato de safira, que é um componente essencial para elevar a tensão até 2200 V.

A comutação em cascode significa que a faixa de operação para o gate é muito maior e não há necessidade de tensão negativa. A tensão de limiar do MOSFET é de 3 V, e a tensão máxima pode chegar a 15 ou 20 V em um driver de gate padrão. “Também reduzimos as perdas em comparação com o GaN no modo E”, disse ele.

“Para carregadores automotivos de megawatt que operam a 1500 V, o dispositivo de 2200 V é ideal. Também observamos uma tendência ao uso de tensões de 800 V para reduzir o peso do veículo; já existem ônibus e caminhões elétricos operando a 1200 V. Portanto, agora com 2200 V, temos exatamente a tensão certa”, disse ele.

“A corrente de vazamento começa a aumentar acima de 4000 V, portanto existe uma margem de 2000 V. Existem dois fatores que influenciam a taxa de falha em tempo: temperatura e tensão, e essa margem nos permite ter uma taxa de falha inferior a 1, o que é uma ordem de grandeza melhor em comparação com outros dispositivos.”

A empresa demonstrou um funcionamento contínuo a 1760 V com uma resistência em estado ativo constante, o que, segundo ela, é a primeira demonstração desse tipo acima de 1500 V. Em vez de haver mais aquecimento à medida que a resistência em estado ativo aumenta com a tensão de ruptura mais elevada, essa resistência constante proporciona maior confiabilidade, pois os efeitos térmicos permanecem estáveis.

“Estamos desenvolvendo uma linha de produtos. Portanto, isso é um marco inicial, com o lançamento do produto na segunda metade do próximo ano [2027]. A tecnologia já está se aproximando da qualificação final”, disse Saint-Pierre. A empresa planeja ter dispositivos qualificados para uso automotivo disponíveis em 2028.

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