Laajan kaistaeron puolijohteet ovat vallanneet alaa piipohjaisilta tehokomponenteilta. Pari viikkoa sitten Electronica-messuilla Power Integrations esitteli jo galliumnitridipohjaisen ratkaisun, joka yltää kytkentäjännitteessä 1700 volttiin. Käykö lopulta niin, että GaN-piirit vievät voiton SiC-pohjaisilta kytkimiltä?

GaN (galliumnitridi) tarjoaa erinomaisen suorituskyvyn erityisesti korkean taajuuden ja matalan tehon sovelluksissa, sillä se mahdollistaa erittäin nopean kytkennän, korkean sähkönjohtavuuden ja pienen häviön. Sen korkea eristevahvuus ja kyky kestää suuria jännitteitä tekevät siitä myös ihanteellisen tehoelektroniikassa. Lisäksi GaN voidaan kasvattaa piialustoille, mikä vähentää valmistuskustannuksia ja mahdollistaa kompaktien, kevyiden ja tehokkaiden komponenttien suunnittelun esimerkiksi 5G-laitteisiin, RF-sovelluksiin ja tehonmuuntimiin.

SiC (piikarbidi) on erinomainen materiaali korkean tehon ja lämpötilan sovelluksiin, sillä sillä on erittäin hyvä lämmönjohtavuus, suuri kestävyys ja kyky toimia tehokkaasti korkeissa lämpötiloissa ja jännitteissä. SiC-komponentit ovat ihanteellisia raskaan teollisuuden, sähköajoneuvojen ja uusiutuvan energian järjestelmissä, joissa tarvitaan luotettavaa suorituskykyä vaativissa olosuhteissa. Lisäksi SiC:n alhaiset kytkentähäviöt ja korkea tehokkuus tekevät siitä houkuttelevan vaihtoehdon energiaintensiivisissä sovelluksissa, vaikka sen valmistus onkin kalliimpaa ja monimutkaisempaa.

SiC:ssä on kuitenkin haasteensa. Se on kalliimpi ja vaikeampi valmistaa kiteiseksi materiaaliksi. GaN voidaan kasvattaa piialustalle, mikä voi helpottaa sen käyttöä joissakin sovelluksissa. Tähän asti GaN on usein ollut "helpompi" ratkaisu korkean taajuuden ja pienen tehon sovelluksissa, kun taas SiC on parempi, kun tarvitaan kestävyyttä ja tehokasta lämmönhallintaa.

Power Integrations esitteli messuilla graafin, joka näyttää ajan myötä kutistavan SiC:n potentiaalisen markkinan olemattomiin. Jo nyt GaN näyttää voittavan kisan alle 10 kilowatin teholuokissa ja pian alkaa GaN-tuotteiden vyöry myös 100 kilowatin alueelle. Megawattiluokassa kytkimet perustuvat pääosin piipohjaiseen IGBT-transistoriin. Power Integrationsin graafi tässä alla.

Power Integrationsin Electronica-messuilla esittelemä InnoMux-2-sarjan kytkin (yläkuva) vie osaltaan tätä kehitystä eteenpäin. Uutuus sisältää ensimmäisen 1700 V galliumnitridikytkimen, joka on valmistettu yhtiön omalla PowiGaN-teknologialla. Kytkin tukee 1000 VDC nimellistä tulojännitesovellusta flyback-konfiguraatiossa ja saavuttaa yli 90 prosentin hyötysuhteen, kun sitä käytetään yksi-, kaksi- tai kolmituloisissa sovelluksissa.

InnoMux-2 IC tarjoaa erittäin tarkan, itsenäisesti säädetyn monijännitelähdön, joka poistaa jälkiregulaattorien tarpeen ja parantaa järjestelmän kokonaistehokkuutta jopa 10 prosenttia. Tämä tekee siitä kustannustehokkaan vaihtoehdon korvaamaan kalliita piikarbidi-transistoreja esimerkiksi autojen latureissa, aurinkoinverttereissä, kolmivaihemittareissa ja teollisissa virtalähdejärjestelmissä.