Dwukierunkowy przełącznik GaN klasy 650 V do falowników energii słonecznej, centrów danych AI i innych zastosowań

Firma Renesas Electronics zaprezentowała pierwszy w branży przełącznik dwukierunkowy wykorzystujący technologię GaN w trybie zubożeniowym (d-mode), zdolny do blokowania zarówno prądów dodatnich, jak i ujemnych w jednym urządzeniu z wbudowaną blokadą prądu stałego. Przeznaczony do jednostopniowych mikroinwerterów słonecznych, centrów danych AI oraz pokładowych ładowarek pojazdów elektrycznych, wysokonapięciowy TP65B110HRU znacznie upraszcza konstrukcję przetworników mocy i zastępuje konwencjonalne przełączniki FET typu back-to-back jednym urządzeniem o niskich stratach, szybkim przełączaniu i łatwym sterowaniu.

Topologia jednostopniowa zwiększa wydajność i zmniejsza liczbę komponentów

Współczesne projekty przetworników dużej mocy wykorzystują jednokierunkowe przełączniki krzemowe lub z węglika krzemu (SiC), które w stanie wyłączenia blokują prąd tylko w jednym kierunku. W rezultacie przetwarzanie mocy musi być podzielone na etapy z wieloma przełączanymi obwodami mostkowymi. Na przykład typowy mikroinwerter solarny wykorzystuje czteroprzełącznikowy most pełny do konwersji prądu stałego na prąd stały w pierwszym etapie, a następnie drugi etap do wytworzenia końcowego prądu przemiennego podawanego do sieci. Mimo, że przemysł elektroniczny zmierza w kierunku bardziej wydajnych przetworników jednostopniowych, inżynierowie muszą radzić sobie z nieodłącznymi ograniczeniami przełączania. Wiele współczesnych projektów jednostopniowych wykorzystuje konwencjonalne przełączniki jednokierunkowe połączone tyłem do siebie, co skutkuje czterokrotnym wzrostem liczby przełączników i zmniejszoną wydajnością.

Dwukierunkowy GaN całkowicie zmienia tę sytuację. Dzięki zintegrowaniu funkcji blokowania dwukierunkowego w jednym produkcie GaN, konwersję mocy można osiągnąć w jednym etapie przy użyciu mniejszej liczby urządzeń przełączających. Na przykład typowy mikroinwerter słoneczny będzie wymagał tylko dwóch wysokonapięciowych urządzeń dwukierunkowych Renesas SuperGaN®, co eliminuje pośrednie kondensatory łącza prądu stałego i zmniejsza liczbę przełączników o połowę. Ponadto produkty GaN przełączają się szybko, przy niskim ładunku zgromadzonym, umożliwiając wyższe częstotliwości przełączania i wyższą gęstość mocy. W rzeczywistym wdrożeniu jednostopniowego mikroinwertera słonecznego nowa architektura GaN wykazała sprawność energetyczną wyższą niż 97,5 procent przy wyeliminowaniu połączeń typu back-to-back i powolnych przełączników krzemowych.

Połączenie z układami sterującymi kompatybilnymi z technologią krzemową

Układy SuperGaN 650 V firmy Renesas opierają się na autorskiej technologii typu „normally-off”, która charakteryzuje się prostotą sterowania i wysoką niezawodnością. TP65B110HRU łączy w sobie dwukierunkowy układ GaN w trybie d o wysokim napięciu, połączony w jednym pakiecie z dwoma niskonapięciowymi tranzystorami MOSFET krzemowymi o wysokim napięciu progowym (3 V), dużym marginesie bramki (±20 V) oraz wbudowanymi diodami korpusowymi zapewniającymi wydajne przewodzenie wsteczne. W porównaniu z dwukierunkowymi urządzeniami GaN w trybie wzbogacającym (e-mode), dwukierunkowy przełącznik GaN firmy Renesas oferuje kompatybilność ze standardowymi sterownikami bramki, nie wymagającymi ujemnej polaryzacji. Przekłada się to na prostszą, tańszą konstrukcję pętli bramki oraz szybkie, stabilne przełączanie zarówno w trybie miękkim, jak i twardym, bez utraty wydajności. Topologie konwersji mocy wymagające przełączania twardego, takie jak prostownik typu wiedeńskiego, mogą skorzystać z jego wysokiej zdolności dv/dt wynoszącej >100 V/ns, przy minimalnym oscylowaniu i krótkich opóźnieniach podczas przejść włączania/wyłączania.

– Rozszerzenie naszej technologii SuperGaN na dwukierunkową platformę GaN oznacza znaczącą zmianę w normach projektowania układów konwersji mocy. Klienci mogą teraz osiągnąć wyższą sprawność przy mniejszej liczbie elementów przełączających, mniejszej powierzchni płytki drukowanej i niższych kosztach systemu. Jednocześnie mogą przyspieszyć projektowanie, wykorzystując integrację na poziomie systemu firmy Renesas z sterownikami bramek, kontrolerami i układami scalonymi do zarządzania zasilaniem – powiedział Rohan Samsi, wiceprezes działu GaN w firmie Renesas.