GaN-transistorista ei saada täyttä hyötyä vaihtamalla sillä piimosfetti vanhassa tehomuuntimessa. Koko järjestelmä pitää suunnitella uudelleen GaN ominaisuuksien ympärille, sanovat Nexperian Olaf Vogt ja Filippo Scrimizzi (kuvassa oikealla).
Tehoelektroniikassa on pitkään verrattu piitä, galliumnitridiä ja piikarbidia yksittäisten komponenttien ominaisuuksien perusteella. Nexperian mukaan tällainen vertailu kertoo kuitenkin yhä vähemmän siitä, miten hyvin komponentti toimii todellisessa sovelluksessa.
– Asiakkaan pitää muuttaa ajattelutapaansa. On tarkasteltava koko järjestelmän tehokkuutta päästä päähän, Nexperian järjestelmäsovellusten kehitystä Euroopassa johtava Filippo Scrimizzi sanoi Pretzl Connect -tapahtumassa Budapestissa.
GaN kohdalla ero korostuu, koska komponentin käyttäytyminen poikkeaa olennaisesti perinteisestä piimosfetista. Esimerkiksi kolmivaiheisessa invertterissä piikytkimillä voidaan käyttää tyypillisesti satojen nanosekuntien dead time -aikoja. GaN kytkeytyy huomattavasti nopeammin, ja nousu- ja laskuajat voivat olla vain muutamia nanosekunteja.
Jos vanhan piipohjaisen suunnittelun ajoitukset jätetään ennalleen, osa GaN-eduista menetetään. Samalla huomioon on otettava esimerkiksi dynaaminen RDS(on), porttiohjaus sekä piirilevyn layout. Scrimizzin mukaan GaN on layoutille selvästi piimosfettia herkempi.
Nexperia havainnollisti ongelmaa vertaamalla ensimmäisen sukupolven 650 voltin cascode-GaN-transistoria kilpailijan e-mode GaN -komponenttiin. Pelkän datalehden perusteella kilpailijan komponentti näyttää paremmalta lähes kaikilla keskeisillä mittareilla. Sen tyypillinen RDS(on) on 25 milliohmia Nexperian 33 milliohmin sijaan, ja myös lähtökapasitanssin varaus ja lämpövastus ovat paperilla parempia.
Kun komponentit vietiin todelliseen sovellukseen, järjestys kuitenkin muuttui. Nexperian 400 voltista 230 volttiin muuntavassa, 200 kilohertsin buck-muuntimessa yhtiön oma GaN-piiri saavutti suuremmilla tehoilla paremman hyötysuhteen. Nexperian mukaan esimerkki osoittaa, miksi yksittäisiä datalehtiarvoja tärkeämpää on komponentin toiminta osana kokonaista järjestelmää.
Ajattelutapa korostuu AI-datakeskusten teholähteissä, joissa tehotiheys kasvaa nopeasti. Scrimizzin mukaan GaN voi parantaa samanaikaisesti hyötysuhdetta, kytkentätaajuutta, tehotiheyttä ja jäähdytystä. Erityisesti resonanssitopologiat hyötyvät GaN pienemmistä kytkentähäviöistä ja kapasitansseista.
GaN ei silti ole korvaamassa kaikkia muita tehopuolijohteita. Datakeskuksen tehonmuunnosketjun eri kohdissa optimaalinen ratkaisu voi olla pii, GaN tai SiC. Jopa samassa muunninvaiheessa voidaan yhdistää eri teknologioita.
Esimerkiksi CPU, GPU ja DDR-muistien syöttöön käytettävissä monivaihemuuntimissa kytkentätaajuudet ovat nykyisin noin 600 kilohertsin luokkaa. Jos taajuus nostetaan megahertsin tuntumaan, Scrimizzin mukaan yksi kiinnostava ratkaisu olisi käyttää high-side-kytkimenä GaN-transistoria ja säilyttää low-side-kytkimenä piimosfetti.
– GaN ei ole voittava teknologia. Kyse on teknologioiden yhdistelmästä, Scrimizzi tiivisti.
Sama näkyy suuremmilla jännitteillä. Nexperia kehittää AI-datakeskusten teholähteisiin 750 ja 1200 voltin SiC-MOSFETejä sekä 750 voltista 1,2 kilovolttiin ulottuvia SiC-JFET-ratkaisuja hot-swap- ja puolijohdekatkaisimiin. Tulevaisuuden solid-state transformer -ratkaisuihin yhtiö tarkastelee yli 3,3 kilovoltin SiC-komponentteja.
Nexperian Head of Product, Application Marketing and Engineering Olaf Vogtin mukaan olennaista ei siksi ole löytää yhtä puolijohdeteknologiaa, joka voittaisi muut. Yhtiön lähtökohta on valita pii, GaN tai SiC sen perusteella, missä kukin antaa järjestelmätasolla suurimman hyödyn.
Tehoelektroniikan seuraava askel ei siten ole pelkkä siirtyminen uusiin puolijohdemateriaaleihin. Komponentti, kotelointi, jäähdytys, layout ja muuntimen topologia on optimoitava yhtenä kokonaisuutena. Tässä on kyse asiakkaiden kouluttamisesta, tiivisti tuotemarkkinoinnista vastaava Olaf Vogt.
Humanoidirobottien servokäyttöjen on ohjattava nivelten liikkeitä tarkasti ja nopeasti. Samalla niiden mikro-ohjaimilta vaaditaan yhä enemmän tiedonsiirtoa, diagnostiikkaa ja muita järjestelmätason toimintoja. Ratkaisuna on erottaa aikakriittinen moottorinsäätö muista prosessorin tehtävistä ja siirtää se erillisen laitteiston hoidettavaksi.