Renesas rozszerza ofertę produktów GaN o pierwsze niskonapięciowe tranzystory FET GaN

Dostawca zaawansowanych rozwiązań półprzewodnikowych rozszerzył swoją ofertę produktów GaN o zastosowania niskonapięciowe. Wprowadził pierwszą rodzinę dyskretnych tranzystorów mocy opartych na GaN w trybie wzbogacającym (E-mode) o napięciu 100 V. Modele RTP100E005G1FL, RTP100E2P6G1FL, RTP100E1P8G1FL-DSC oraz RTP100E1P2G1FL-DSC zapewniają ultraszybkie prędkości przełączania oraz lepszą wydajność termiczną. Przeznaczone są do zastosowaniach o wysokiej gęstości mocy, w których kluczowa jest sprawność. Takich jak centra danych AI, robotyka humanoidalna, automatyka przemysłowa i przemysłowe napędy silnikowe, elektronarzędzia oraz mikroinwertery słoneczne.

Nowe tranzystory GaN osiągają wysoką wydajność (FOM) zarówno w trybie przełączania twardego, jak i miękkiego. Zapewniają o 35% niższy wskaźnik FOM w trybie przełączania twardego i o 63% niższy wskaźnik FOM w trybie przełączania miękkiego, w porównaniu z podobnymi urządzeniami GaN. Niskonapięciowe urządzenia GaN zachowują również rozmiar zgodny z układami krzemowymi, co pozwala na łatwe wdrożenie ich do istniejących projektów.

Przetwornice mocy w dzisiejszych centrach danych zazwyczaj działają z częstotliwościami przełączania rzędu kilkuset kiloherców. Jednak w miarę jak serwery AI i infrastruktura przemysłowa przechodzą na dystrybucję mocy 800 V DC i architektury magistrali 48 V, wiele stopni przetwornic przechodzi na przełączanie w zakresie megaherców. Pozwala to zmniejszyć rozmiary elementów magnetycznych, zwiększyć gęstość mocy i poprawić ogólną sprawność.

Zastosowanie niskonapięciowego GaN w architekturach zasilania wysokonapięciowego prądu stałego (HVDC) 800 V upraszcza projektowanie przetworników mocy. Ponadto znacznie zmniejsza rozmiar elementów pasywnych, straty przełączania oraz wymagania dotyczące chłodzenia. Na poziomie systemu przekłada się to na lepszą sprawność, mniejsze wymagania w zakresie zarządzania temperaturą oraz niższe koszty energii i kosztów materiałów (BOM).

Szeroka oferta produktów GaN: wyższa sprawność, gęstość mocy i elastyczność projektowa

Nowa oferta tranzystorów oparta jest na niedawno rozbudowanej platformie technologicznej Renesas w zakresie niskonapięciowych tranzystorów GaN w trybie E. Charakteryzuje się ultraszybkim przełączaniem GaN przy niskim całkowitym ładunku bramki (Qg) i ładunku wyjściowym (Qoss). Pozwala to zminimalizować nakładanie się napięcia i prądu. Zmniejsza też straty energii w każdym cyklu konwersji w zasilaczach do systemów AI, sterownikach silników oraz stopniach mocy DC-DC. Urządzenia te charakteryzują się również zerowym strumieniem powrotnym (Qrr = 0). Eliminuje to straty energii i zapewnia natychmiastowy wzrost sprawności przełączania.

Szybkie przełączanie zwiększa gęstość mocy i umożliwia pracę z wyższą częstotliwością poprzez zmniejszenie powierzchni zajmowanej na płytce drukowanej oraz rozmiarów elementów magnetycznych i pasywnych. Natomiast niski opór RDS(on) poprawia sprawność pracy poprzez ograniczenie strat przewodzenia. Dostępne konfiguracje chłodzenia od spodu oraz z obu stron zapewniają lepsze odprowadzanie ciepła i większą elastyczność projektową. W zależności od wymagań aplikacji i architektury konwersji mocy, niskonapięciowe urządzenia GaN mogą osiągnąć nawet o 40–70% niższe straty przełączania oraz nawet dwukrotnie wyższą gęstość mocy na poziomie systemu.

Obudowy kompatybilne z tranzystorami MOSFET

Nowe tranzystory GaN w wielu standardowych obudowach kompatybilnych z tranzystorami MOSFET, pozwalają klientom na szybkie przejście z układów krzemowych MOSFET. Mogą szybciej realizować projekty, bez znacznych przeróbek płytki drukowanej. Opcje obudów, w połączeniu z szerokim zakresem RDS(on) (5 mΩ–1,2 mΩ), umożliwiają projektantom skalowanie w różnych poziomach mocy i zastosowaniach. W tym w prostowaniu synchronicznym, wielofazowej konwersji buck oraz napędach silnikowych.

– Klienci wdrażający technologię GaN nowej generacji w serwerach AI, robotyce, przemysłowych napędach silnikowych i systemach energii odnawialnej, poszukują sposobów na zapewnienie wydajnej konwersji mocy w coraz bardziej kompaktowych systemach. Nasza rodzina niskonapięciowych układów GaN zapewnia parametry przełączania i gęstość mocy, których projektanci oczekują od GaN, jednocześnie znacznie ułatwiając przejście z istniejących projektów opartych na krzemowych tranzystorach MOSFET – powiedział Akhil Nair, starszy dyrektor ds. niskonapięciowych układów GaN w firmie Renesas.

Wysoka wydajność GaN w obudowach kompatybilnych z krzemem

Nowa rodzina układów GaN opiera się na technologii GaN w trybie E (normalnie wyłączonym). Oferuje zalety wydajnościowe GaN w wygodnej obudowie kompatybilnej z krzemem. Pomaga to projektantom wykorzystać zalety GaN w zakresie sprawności i mocy oraz upraszcza migrację z istniejących projektów opartych na krzemie.

Najważniejsze cechy nowej rodziny układów GaN niskonapięciowych

• Wydajność wyższa o 1–3% w porównaniu z konstrukcjami opartymi na krzemie, co eliminuje straty Qrr;
• Znaczne zmniejszenie strat przełączania o 40–70%;
• Podwojona gęstość mocy dzięki zmniejszeniu energii przełączania na cykl i obsłudze pracy z wysoką częstotliwością;
• Mniejsze wymiary systemu przy wyższej częstotliwości przełączania, co zmniejsza rozmiar elementów magnetycznych i obniża ogólne straty systemu;
• Zoptymalizowane zarządzanie temperaturą zmniejsza zapotrzebowanie na wentylatory i aktywne chłodzenie, ograniczając złożoność systemu i koszty komponentów (BOM).

Ponadto, dzięki niższemu całkowitemu zużyciu energii na każdy stopień mocy, nowa rodzina układów GaN pomaga w realizacji celów zrównoważonego rozwoju. Projektanci mogą zmniejszyć rozmiary płytki PCB oraz wentylatorów wymaganych do zarządzania temperaturą i przepływem powietrza.