Технологія GaN для електроенергетичних систем високої напруги наступного покоління

За словами Ніка Флахерті, компанія Power Integrations розробила технологію на основі нітриду галію (GaN), яка може працювати при напрузі до 2200 В для високопотужних інверторів двигунів та систем зарядки потужністю у мегавати.

Конструкція нового пристрою забезпечує більшу маржу при високих напругах, що сприяє значно вищій надійності, а також дозволяє використовувати вищі частоти переключення у менших інверторах.

«Ми почали з технології GaN на 1500 В у 2017 році, а потім — на 1700 В у 2024 році, що було ідеальною напругою для автомобільних пристроїв на 800 В. Наш пристрій на 900 В має повну сертифікацію AEC та вже використовується у автомобілях сьогодні, причому його обсяги поступово зростають», — сказав Роланд Сен-П’єр, віце-президент з розробки продуктів у Power Integrations. «Цей пристрій на 2200 В забезпечує можливість використання нашої технології у застосуваннях, що перевищують 800 В; адже при напрузі понад 1000 В потрібна більша здатність до проходження струму».

Пристрій на 2200 В працює у режимі виснаження (D-режим) та зазвичай залишається у ввімкненому стані разом із кремнієвим MOSFET у конфігурації каскоду. Каскод побудований на сапфіровій основі, яка є важливим компонентом для досягнення напруги 2200 В.

Каскодне перемикання означає, що діапазон роботи ґейта значно ширший, і немає потреби у зворотному напрузі. Порогова напруга MOSFET становить 3 В, а максимальна напруга для стандартного приводу ґейта може сягати 15–20 В. «Ми також зменшуємо втрати порівняно з технологією E-mode GaN», — сказав він.

«Для автомобільних зарядних пристроїв потужністю кілька мегават, які працюють при 1500 В, пристрій на 2200 В є ідеальним. Ми також спостерігаємо тенденцію до використання напруги 800 В для зменшення ваги транспортних засобів; вже існують електричні автобуси та вантажівки на 1200 В. Отже, тепер із напругою 2200 В ми маємо саме потрібну напругу», — сказав він.

«Струм витоку починає зростати при напрузі понад 4000 В, тому існує запас у 2000 В. Існують два фактори, що впливають на швидкість виникнення несправностей — температура та напруга, і цей запас дозволяє забезпечити рівень несправностей менше 1, що у десятки разів краще, ніж у інших пристроїв».

Компанія продемонструвала стабільну роботу при напрузі 1760 В із постійним опором увімкнення, що, за їхніми словами, є першою подібною демонстрацією на рівні понад 1500 В. Замість посилення нагрівання через збільшення опору увімкнення при вищій напрузі пробою, постійний опор увімкнення забезпечує вищу надійність, оскільки теплові ефекти залишаються стабільними.

«Ми працюємо над розробкою низки продуктів. Це своєрідний сигнал про початок роботи, а сам продукт з’явиться у другій половині наступного року [2027]. Технологія вже наближається до завершальної фази атестації», — сказав Сен-П’єр. Компанія планує запустити пристрої, сертифіковані для автомобільної галузі, у 2028 році.

Натисніть тут, щоб прочитати останній випуск E-Mobility Engineering.