di Doug Bailey* | I dispositivi al SiC rispetto a quelli al GaN, rispetto ai Mosfet a supergiunzione, rispetto agli Igbt? Ciascuno svolge un determinato ruolo e questo spiega perché in Power Integrations non consideriamo il GaN come un mercato, ma come una tecnologia, una delle molte presenti nel nostro arsenale, insieme al SiC e a una varietà di tecnologie del Mosfet, e impieghiamo quella che determiniamo sarà la più adatta in funzione dell’applicazione.
Il punto di vista sul ruolo del GaN è cambiato significativamente con il nostro recente lancio di un dispositivo al GaN con tensione di breakdown pari a 1.700 V. Mettiamolo nella giusta prospettiva: una tensione di 1.700V è di 450V maggiore rispetto al nostro precedente risultato migliore e del 70% più elevata rispetto al valore migliore offerto da qualsiasi altro prodotto (che, tra l’altro, riteniamo attualmente non sia disponibile come componente che possa essere consegnato in grandi volumi). La maggior parte delle imprese che utilizzano il GaN hanno difficoltà ad andare molto oltre i 750V.
Abbiamo lanciato un circuito integrato per alimentatore flyback, l’InnoMux-2, la cui tensione nominale è di 1.700V, per cui è impiegabile facilmente con livelli di tensione pari a 1.000Vcc. Può essere ordinato in grandi volumi con un tempo di consegna di 16 settimane, mentre campioni sono immediatamente disponibili. Cosa significa questo per il settore e per la discussione sul GaN rispetto al SiC e su quale tecnologia dei circuiti integrati di potenza sia migliore? In breve, riteniamo che il GaN presto potrà essere impiegato in tutti i settori applicativi, da alcune decine alle centinaia di watt e ai kilowatt.
Applicazioni a bassa potenza del GaN
Entriamo nei dettagli. Il GaN è già vincitore nel settore dei caricabatteria a basso consumo di potenza, da 30W a, diciamo, 240W.
Questo perché è molto più efficiente rispetto ai Mosfet a supergiunzione, grazie alle perdite di commutazione trascurabili e alla RdsOn specifica molto bassa. È quindi possibile ottenere densità di potenza maggiori e pertanto realizzare i dispositivi in modo che abbiano un ingombro minore o una potenza maggiore, mentre il problema della gestione termica viene ridotto notevolmente.
E sebbene attualmente il costo dei Mosfet sia inferiore rispetto agli Hemt (High electron mobility transistor) al GaN, la necessità di dissipatori e topologie a risonanza all’avanguardia li rende meno convenienti rispetto al GaN a livello del sistema. Questo vantaggio del GaN non potrà che migliorare attuando economie di scala e aumentando i volumi di produzione. L’unico motivo che potrebbe far preferire i Mosfet per applicazioni a potenza molto bassa (per esempio <20 W) è che a bassi livelli di potenza le ridottissime dimensioni dei chip al GaN rendono difficile movimentarli.
Potenze medie: applicazioni in transizione del GaN
Passando a livelli di potenza superiori, ai 500W, a 1kW e fino a 10kW, il GaN è ancora vincente.
Qui stiamo considerando applicazioni quali frigoriferi, caricabatteria di e-bike, lavatrici e altri elettrodomestici, compressori per impianti di riscaldamento, ventilazione e climatizzazione, impianti fotovoltaici, determinate funzioni di autoveicoli, quali il caricabatteria incorporato e i circuiti di batterie di ricambio al piombo-acido nonché alimentatori per server. Tutte sono in una fase di transizione in cui i Mosfet vengono abbandonati. Per alcune si è già passati al SiC, e poiché i valori nominali di efficienza del SiC e del GaN sono comparabili, perché in questo caso dovrebbe imporsi il GaN? Il motivo è semplice: il costo.
Il SiC, al contrario del GaN, richiede enormi quantità di energia per creare le elevate temperature di trattamento necessarie. Un dispositivo al GaN intrinsecamente non è più costoso da produrre rispetto a uno al silicio; i dispositivi possono anche essere fabbricati sulle stesse linee di produzione con un numero relativamente limitato di modifiche. Per un numero crescente di queste applicazioni da 1 a 10 kW (in precedenza dominio riservato dei Mosfet e del SiC) sarà possibile utilizzare il GaN.
Ma questo non è tutto: attualmente, il limite massimo di potenza per il GaN è pari a 7-10 kW, ancora un po’ lontano dal poter soddisfare le esigenze del settore degli inverter per i veicoli elettrici, ma occorre solo un altro fattore 10 per raggiungere i livelli di potenza dei veicoli elettrici di alcune centinaia di kW e nell’alta tecnologia un fattore 10 richiede solo alcuni anni. Non esiste un vincolo sostanziale né una limitazione fisica, non occorrono invenzioni né idee brillanti; serve lo sviluppo.
Il GaN e le altissime potenze
Alle altissime potenze all’estremità della gamma, come turbine eoliche da multimegawatt e impianti CC ad alta tensione da gigawatt, gli Igbt sono affermati e comparativamente meno costosi. Quindi il SiC appare destinato a essere schiacciato in un segmento relativamente piccolo del settore, che ha bisogno delle correnti più elevate rispetto a quelle che la tecnologia verticale può offrire.
*Doug Bailey, vicepresidente marketing presso Power Integrations
