Urządzenia mocy GaN, na których skupia się ten artykuł, są produkowane masowo od ponad 13 lat z setkami milionów tranzystorów i układów scalonych wykorzystywanych w szerokim zakresie zastosowań. Weźmy na przykład przetwornice w sprzęcie konsumenckim, w których spożytkowanie półprzewodników GaN zmniejszyło rozmiar o prawie 50%, a także poprawiło sprawność energetyczną nawet o 94%. Sprzęty te są obecnie powszechnie użytkowane w systemach impulsowych AC/DC o mocy poniżej 75 W ze względu na ich zalety w zakresie sprawności energetycznej i gęstości mocy.
Na targach APEC 2023 elementy mocy wykonane z GaN do zasilania szybkich ładowarek do smartfonów, laptopów i tabletów, a także bardziej złożone projekty platform do zasilania AC/DC w centrach danych były wyróżniającym się elementem. Jednak to, co zajęło centralny punkt, to miejsce GaN w szybko rozwijającym się krajobrazie projektowania systemów pojazdów elektrycznych (EV). Jak realistyczny jest to obraz i kiedy stanie się rzeczywistością? Rozmowy z głównymi dostawcami półprzewodników GaN na sali APEC zapewniły bardzo potrzebne wyjaśnienia sytuacji.
GaN w elektromobilności
Elementy GaN, szeroko przeznaczone do zastosowań w zakresie od 80 V do 650 V, umożliwiają nowe horyzonty zasilania i wierności dźwięku, jednocześnie ułatwiając zwiększenie średniej mocy i częstotliwości przełączania. Według Andre Christmanna, głównego inżyniera aplikacji w firmie Infineon Technologies, chociaż rozwój tej technologii przyspiesza, nie będzie miała ona znaczenia na rynku motoryzacyjnym do co najmniej 2025 roku. „GaN może konkurować z rozwiązaniami krzemowymi i SiC w pokładowych ładowarkach (OBC) i systemach DC/DC dopiero po 2025 roku”.
Firma badawcza IDTechEx, która niedawno opublikowała raport zatytułowany: „Power Electronics for Electric Vehicles 2023-2033”, zgadza się z założeniem, że OBC i przetwornice DC/DC będą pierwszym punktem wejścia na rynek urządzeń mocy GaN. To dlatego, że sekcje te działają przy znacznie niższych mocach. Co więcej, przewaga wydajnościowa materiałów GaN jest wyraźnym czynnikiem napędzającym szybsze ładowanie prądem zmiennym lub wewnętrzne ładowanie akumulatora. Philip Zuk, starszy wiceprezes ds. marketingu technicznego i rozwoju biznesu w Transphorm, wydawał się bardziej optymistyczny, jeśli chodzi o wdrożenie GaN w obszarze motoryzacyjnym. „Z biegiem czasu GaN będzie penetrował sektor przetwornic DC/DC i systemów OBC, ponieważ jest to tańsze i znacznie sprawniejsze rozwiązanie” — powiedział. W przypadku falowników trakcyjnych, Zuk mówi, że urządzenia GaN mają miejsce dla siebie w małych pojazdach elektrycznych o mocy do 50 W. Wspomniał również o półprzewodnikach Transphorm 1200 V, zbudowanych w technologii GaN-on-sapphire, które mogłyby zostać wykorzystane do tworzenia falowników dla e-rowerów i e-skuterów. Elementy te mają niebawem być dostępne w sprzedaży. „Pytanie brzmi, jak szybko zostaną one przyjęte”. Półprzewodniki GaN na napięcie 1200 V Transphorm powinny trafić jako próbki do zainteresowanych projektantów pod koniec 2023 roku.
Technologia GaN, powszechnie utożsamiana z urządzeniami 650 V, wkrótce będzie miała nowe produkty szerokoprzerwowe — FET 1200 V.
Firma Transphorm, założona w 2007 roku, jest, jak twierdzi, pierwszym dostawcą półprzewodników z GaN, które mają kwalifikacje JEDEC i spełniają normy motoryzacyjne. Portfolio jej produktów obejmuje tranzystory FET o napięciu pracy 650 V i 900 V, a te FET 1200 V są obecnie w fazie rozwoju. Jednakże, jak przyznaje Zuk, urządzenia 900 V są bardziej pokazówką, że firma może zrobić więcej niż układy na 650 V. „Sprzęty GaN typu 900 V znikną, ponieważ nie jest to dostatecznie wysokie napięcie” — dodaje Zuk. „[Docelowa] jest technologia 1200 V, z której jesteśmy bardzo zadowoleni, ponieważ otwiera nowe miejsca, takie jak pojazdy elektryczne na baterie 800 V, infrastruktura słoneczna i ładowanie dużej mocy”.
Oprócz Tramsphorm, inną marką walczącą o większą rolę GaN w pojazdach elektrycznych jest VisIC Technologies. Firma wykorzystała chipy GaN 650 V do opracowania projektu falownika EV we współpracy z Hofer Powertrain. Na targach APEC 2023 współzałożycielka i dyrektor generalna izraelskiego przedsiębiorstwa, Tamara Baksht, przedstawiła szczegóły referencyjnego projektu trójfazowego falownika opartego na GaN z napięciem magistrali 400 V i prądem skutecznym do 400 A.
GaN poza pojazdami elektrycznymi
Oczywiście obietnica dawana przez GaN to coś więcej niż tylko sterowniki w projektach maszyn EV. Navitas Semiconductor, który poinformował, że dostarczył już 75 milionów wysokonapięciowych jednostek GaN, szybko zauważył, że rynek tych elementów dla centrów danych rozwija się. Stephen Oliver, wiceprezes ds. marketingu korporacyjnego w Navitas Semiconductor, wspomniał również o sterownikach silnikowych dla urządzeń domowych i dla obszarów przemysłowych jako o obiecującym nowym miejscu dla układów GaN.
„Sterowniki silników mogą być bardziej sprawne, mniejsze i lżejsze dzięki GaN w obrębie takiego użytku, jak odkurzacze, sprężarki lodówek, pralki i suszarki” — wskazał Oliver. „Inwertery fotowoltaiczne do zastosowań mieszkaniowych mogą być następne, w ich przypadku GaN przynosi szacunkową 25% oszczędność kosztów systemu w porównaniu ze starszymi rozwiązaniami krzemowymi dzięki pracy z wyższą częstotliwością i lepszą integracją układów”.
W kwestii pojazdów elektrycznych, Oliver dostrzega potencjał GaN w napędach mechanizmów korzystających z akumulatorów 400 V, ale szybko zauważa, że SiC przejmie większą część biznesu. „Pierwszym miejscem dla GaN będą szybkie ładowarki i przetwornice DC/DC” — oznajmił. „W przypadku napędu trakcyjnego, GaN będący technologią ograniczoną generalnie do 700 V, może być stosowany w systemach akumulatorów 400 V”. Jednak jest punkt, w którym SiC podejmie większość segmentu, gdy poziom mocy wzrasta dla samochodów elektrycznych z ogniwami 800 V, dodaje Oliver.
Mówił on również o najnowszym opracowaniu firmy związanym z GaN: układach kontrolnych GaNSense. Są to krzemowe, niskonapięciowe kontrolery systemowe, zintegrowane z układami GaN. „Układy scalone GaNSense Control łączą wysokonapięciowe chipy zasilania GaN z szybkimi, niskonapięciowymi krzemowymi kontrolerami systemowymi, aby zwiększyć łatwość użytkowania i sprawność całości” — powiedział Oliver. „Uwzględnienie kontrolera systemowego optymalizuje cały mechanizm zasilania poprzez dodanie autonomicznego pomiaru i szybkiego sterowania nim”.
Nowy projekt chipsetu, który integruje układy scalone GaN z krzemowymi jednostkami sterującymi.
Perspektywy GaN na rok 2023
Jednak na APEC, głównym branżowym punkcie odniesienia w zakresie inżynierii systemów zasilania i projektowania analogowego, GaN to coś więcej. Na przykład widać było, w jaki sposób sterowniki bramek uzupełniają urządzenia szerokoprzerwowe, takie jak 650 V GaN FET. W innej sesji poświęconej sprzętom zasilającym GaN zwrócono uwagę na kwestie projektowe związane z GaN HEMT, rzucając światło na obszary takie jak wyłączniki automatyczne, stabilność rezystancji włączenia i przełączanie przepięciowe tych układów.
Firma Cambridge GaN Devices (CGD) przedstawiła szczegóły techniczne swoich tranzystorów 650 V do zastosowań wysokonapięciowych. Urządzenia ICe-GaN są zintegrowane z układami do pomiaru prądu i Millera, co zapewnia bezpieczne wyłączanie elementu, ochronę bramek i przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) całej struktury.
Tranzystory ICe-GaN mogą działać jak krzemowy MOSFET bez specjalnych sterowników bramek, obwodów sterujących lub unikalnych mechanizmów ograniczania napięcia bramki.
W ostatecznej analizie dwie rzeczy wydają się oczywiste w rozwoju GaN w sektorze energoelektroniki. Po pierwsze, jak zauważył Alex Lidow, założyciel i dyrektor generalny Efficient Power Conversion (EPC), GaN ma jeszcze długą drogę do przebycia, zanim osiągnie stan dojrzałości podobny do krzemowych urządzeń mocy. Po drugie, elementy te coraz częściej rozważane są w wysoce lukratywnych projektach w obszarze elektromobilności. Obecnie jest to wyłączne terytorium układów krzemowych i SiC. „Idziemy po Ciebie z tranzystorami GaN 1200 V, SiC” — zapowiedział Zuk z Transphorm.
Może to zabrzmieć nieco nazbyt entuzjastycznie, ale Christmann z Infineona wygłosił podobne oświadczenie w swojej prezentacji: „Power Electronic in Electric Powertrain” na targach APEC 2023. „W motoryzacji chodzi przede wszystkim o koszty” — wskazuje. „Zysk z zastosowania GaN sprowadza się do wydatków, wydatków i jeszcze raz wydatków” — podkreśla.
Tak więc, poza długo oczekiwaną konsolidacją w branży GaN po przejęciu GAN Systems przez Infineona, warto również obserwować, jak technologia półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej przygotowuje się w 2023 roku do zdobycia udziałów w kluczowym sektorze pojazdów elektrycznych. Tymczasem jej miejsce na rynkach, takich jak ładowarki urządzeń konsumenckich, zasilacze do systemów centrów danych i infrastruktura fotowoltaiczna, już teraz wydaje się bardzo obiecujące. To fenomenalny rozwój jak na niecałą dekadę.
Źródło: https://www.edn.com/a-gan-technology-reality-check-from-the-apec-2023-floor/
Cool? Ranking DIY
