Power Integrations
Avtor: Doug Bailey – VP Marketing, Power Integrations
SiC proti GaN proti SJ MOSFET proti IGBT? Vsak ima svoje mesto, zato v podjetju Power Integrations GaN ne obravnavamo kot trg, temveč kot tehnologijo.
Je le ena od mnogih tehnologij v našem arzenalu, skupaj s SiC in različnimi MOSFET tehnologijami, pri čemer za vsako aplikacijo posebej uporabljamo tisto, za katero menimo, da je najprimernejša.
Dojemanje položaja GaN se je bistveno spremenilo z našo nedavno, dramatično – in mislim, da je ta pridevnik upravičen – predstavitvijo GaN naprave s prebojno napetostjo 1700 V. Poglejmo si to v perspektivi: 1700 V je za 450 V več kot naš prejšnji najboljši rezultat in za 70 % več kot najboljši rezultat, ki ga ponuja katerikoli drug proizvajalec (za katerega mimogrede menimo, da trenutno ni na voljo kot izdelek, ki bi ga bilo mogoče proizvajati v velikih količinah). Večina GaN podjetij se bori, da bi presegla 750 V. Na trg smo poslali flyback integrirano vezje za napajalnike, InnoMux™-2, ki ima nazivno napetost 1700 V, tako da je zlahka kos aplikacijam z napetostjo 1000 VDC. Na voljo je po naročilu s 16-tedenskim dobavnim rokom v velikem številu, vzorci pa so na voljo tudi na prodajni polici.
Kaj to pomeni za industrijo in celotno razpravo „GaN proti SiC, katera tehnologija IC za napajanje je najboljša“?
Na kratko: verjamemo, da bo GaN kmalu lahko obravnaval vse sektorje uporabe, od nizkih desetin vatov do 100 W in do kilovatov.
Razčlenimo ga. GaN je že osvojil trg polnilnikov z nizko močjo od 30 W do recimo 240 W. To pa zato, ker je veliko učinkovitejši od Super junction MOSFET-ov, saj ima zanemarljive stikalne izgube in zelo nizek specifični RDSON. Zato so dosegljive večje gostote moči, naprave so lahko manjše ali zmogljivejše, izziv toplotnega upravljanja pa je veliko manjši. In čeprav so MOSFET-i trenutno cenejši od GaN HEMT-ov, so zaradi potrebe po naprednih, resonančnih topologijah in hladilnikih na sistemski ravni cenovno manj učinkoviti kot GaN. Ta GaN prednost se bo z ekonomijo obsega in povečanjem proizvodnje le še povečala. Edini razlog, zakaj imajo MOSFET-i prednost pri aplikacijah z zelo majhno močjo (na primer < 20 W), je ta, da so rezine GaN pri nizkih ravneh moči tako majhne, da jih je težko obdelati.
Z naraščanjem moči od 500 W, 1 kW do 10 kW zmaguje tudi GaN. Tu gre za aplikacije, kot so hladilniki, polnilniki za e-kolesa, pralni stroji in druga bela tehnika, HVAC kompresorji, sončna energija, nekatere avtomobilske funkcije, kot so polnilnik v vozilu in vezja za nadomestne svinčene akumulatorje, ter strežniški napajalniki. Vsi ti prehajajo z MOSFET-ov. Nekateri so že prešli na SiC, in ker imata SiC in GaN primerljivo učinkovitost, zakaj bi moral GaN tu prevladati? Razlog je preprosto v ceni. SiC zahteva ogromne količine energije za doseganje visokih temperatur obdelave. GaN tega ne potrebuje. Proizvodnja GaN naprave ni nič dražja od proizvodnje silicijevega dela – naprave se lahko celo izdelujejo na istih proizvodnih linijah z razmeroma majhnimi spremembami.
Vse več teh 1 do 10 kW aplikacij, ki so bile prej domena MOSFETov in SiC, bo mogoče obravnavati z GaN, in pri tem se ne bo ustavilo. Trenutno GaN doseže največjo moč pri približno 7-10 kW. To je malo premalo, da bi zadovoljili potrebe trga pretvornikov za električna vozila – največji močnostni IC za TAM aplikacije. Vendar je potreben le še faktor 10, da bi dosegli ravni moči električnih vozil nekaj 100 kW, faktor 10 pa je na področju visoke tehnologije vprašanje le nekaj let. Ni vsebinskih omejitev, ni fizičnih omejitev … ni potrebna iznajdba ali navdih, temveč razvoj.
Na področju zelo visokih moči – večmegavatne vetrne turbine in gigavatne visokonapetostne enosmerne naprave – so IGBT dobro uveljavljeni in razmeroma poceni. Zato se zdi, da bo SiC omejen na razmeroma majhen del trga, ki potrebuje višje tokove, ki jih lahko ponudi vertikalna tehnologija.
Še zadnja pripomba. Ko se pojavi nova tehnologija ali naredi pomemben korak naprej, najprej neposredno nadomesti prejšnjo tehnologijo. Potem pa se pojavi nekdo, ki je pameten in reče: „To je v redu, vendar nam nova tehnologija omogoča, da popolnoma premislimo o zasnovi – oblikujemo nov koncept, ki najbolje izkorišča novo tehnologijo, ne da bi se sklicevali na to, kar je zahtevala stara“.
Nadaljujemo z inovacijami na ravni mikroelektronike, pakiranja, sistema in algoritmov, da bi razvili energetske izdelke, specifične za posamezno aplikacijo, ki se pomikajo naprej v učinkovitosti, stroškovni učinkovitosti in številu komponent ter odpirajo nove zamisli za nove trge.
