Jo pitkään tunnettua GaN-teknologiaa sovellettiin alun perin mikroaaltojärjestelmien suurtaajuusosissa ja myöhemmin huimaa vauhtia kehittyneissä ledivalaisimissa. Viime aikoina galliumnitridi on osoittanut voimansa myös monenlaisissa tehonsyöttöjärjestelmissä.

Galliumnitridillä on luontaisesti leveä johtavuusvyön ja valenssivyön välinen energiaero (band gap), jonka ansiosta se soveltuu mainiosti erittäin korkeille, jopa 60-70 gigahertsin taajuuksille. Alun perin GaN-teknologiaa hyödynnettiinkin mikroaaltoalueen tiedonsiirtojärjestelmien puolijohdekomponenteissa, joita ovat valmistaneet menestyksekkäästi Wolfspeedin (osa Cree-konsernia) kaltaiset yhtiöt.

Bristolin yliopiston tutkijat puolestaan työskentelevät tällä hetkellä timanttialustalle valmistettavien GaN-pohjaisten HEMT-rakenteiden (High Electron Mobility Transistor) parissa. Niitä voidaan soveltaa esimerkiksi seuraavien sukupolvien solurakenteisissa 5G- ja 6G-verkoissa.

Leveä energiavöiden väli on tehnyt galliumnitridistä hyvin suositun myös ledien valmistuksessa. Yritykset kuten Broadcom/Avago, STMicroelectronics ja LiteOn ovat hyödyntäneet GaN-teknologiaa entistä tehokkaampien ja kestävämpien valaistusjärjestelmien kehittämiseksi.

Jatkuva kehitystyö on painanut GaN-tuotteiden valmistuskustannuksia alaspäin, ja kasvavan tuotannon tuomat mittakaavaedut ovat vielä vauhdittaneet kehitystä. On kuitenkin todettava, että GaN-tuotannon saantolukemat ovat edelleen alhaisemmat kuin piipohjaisilla tuotteilla ja tämä vaikuttaa yhä joidenkin GaN-komponenttien hintatasoon. Tosin ajan myötä nämäkin saantolukemat paranevat ja kustannukset sen myötä alenevat.

Viime aikoina kasvanut paine kohti ajoneuvojen sähköistämistä luo uusia mahdollisuuksia GaN-teknologian hyödyntämiselle tehonsyötön sovelluksissa. Lisäksi GaN-transistorien uudenlaiset rakenteet luovat kasvavaa kysyntää yhä suuremmilla taajuuksilla ja paremmalla hyötysuhteella toimiville laitteille.

Samalla myös teholähteiden fyysistä kokoa voidaan merkittävästi pienentää. Tämä kehitys on nähtävissä kaikentyyppisissä järjestelmissä älypuhelimista ja kannettavista tietokoneista aina datakeskusten konesaleihin asti.

Langattomaan lataukseen

GaN-teknologia antaa mahdollisuuden jopa tehonsyötön ja langattomuuden yhdistämiseen – uudenalaiset langattomat latausjärjestelmät tekevät teholähteen ja ladattavan laitteen väliset latauskaapelit tarpeettomiksi. Nämä uudet nousevat sovellusalueet kasvattavat GaN-pohjaisen elektroniikan suosiota dramaattisesti.

Parannellussa toimintamuodossa GaN-kytkimen seurantanopeutta voidaan ohjailla yksinkertaisesti säätämällä hilaresistanssia, mikä vähentää suurella nopeudella tapahtuvan kytkennän tuottamia sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) ja antaa mahdollisuuden rakentaa esimerkiksi moottoriohjausjärjestelmiä oleellisesti pienempään kokoon.

Ratkaisuja sähköautoihin

Sähköautoilla ja hybridiajoneuvoilla on huomattavan kovat vaatimukset tehonmuunnoksen osalta. Auton tavanomainen voimansiirtojärjestelmä kytkee tehoa noin 100 kilowatin tasolla, ja tyypillinen piipohjainen muunnin voi yltää noin 95 prosentin hyötysuhteeseen. Sen sijaan GaN-rakenteinen muunnin voi yltää 98-99 prosentin hyötysuhteeseen hyvin laajalla kuormitusalueella.

Ero ei ehkä näytä kovin suurelta, mutta kun piipohjaisen muuntimen käyttö haaskaa tehoa lähes 5 kilowattia, vastaava GaN-muunnin hukkaa tehoa vain noin yhden kilowatin verran. Tämä näkyy valtavana erona ajoneuvon lämmönhallinnassa, kun tehopiirien jäähdytyslevyjä voidaan merkittävästi pienentää tai jopa poistaa kokonaan.

Saavutettava tehohäviöiden 300 prosentin väheneminen antaa mahdollisuuden tehdä moottoreista ilmajäähdytteisiä perinteisen nestejäähdytyksen sijasta. Tämä on vieläkin kriittisempää alhaisilla kuormitustasoilla, jolloin piipohjaisen muuntimen hyötysuhde voi valahtaa jopa 70 prosentin tasolle, kun GaN-muunnin yltää vastaavalla kuormituksella yhä 90 prosentin lukemiin.

Useat puolijohdevalmistajat kehittävät GaN-teknologiaa tehonsyöttösovelluksiin. Mukana on sekä ST Microelectronicsin ja Panasonicin kaltaisia vakiintuneita globaalipelureita että aloittelevia yrityksiä kuten GaN Systems.

Galliumnitridiin perustuvan teknologian merkittävä etu on tehonmuunnoksen korkea hyötysuhde, mutta useita edistysaskelia on edelleen otettava, jotta tätä tekniikkaa alettaisiin hyödyntää entistä laajemmin. On vielä kyettävä osoittamaan galliumnitridin pitkäaikainen luotettavuus sekä tarjottava tehoelektroniikan kehittäjille SPICE-malleja ja suunnitteluohjeita uusien laitteiden kehittämisen tueksi.

Myös suurille jännitteille

Koska galliumnitridillä on paljon leveämpi energiavöiden väli kuin piillä, sillä on myös korkeampi läpilyöntijännite. GaN-transistoreja voidaankin käyttää sovelluksissa, joiden jännitteet ovat jopa 650-700 voltin luokkaa. Lisäksi niiden pienempi fyysinen koko piipohjaisiin MOSFET- tai IGBT-transistoreihin verrattuna synnyttää vähemmän hajakapasitansseja. Tämä puolestaan parantaa transistorien kytkentänopeuksia.

Vähäiset hajakapasitanssit yhdessä nopeiden kytkentäaikojen ja korkeiden jännitteiden kanssa tarkoittavat, että piireissä voidaan käyttää entistä pienempiä induktiivisia komponentteja kuten muuntajia ja keloja. Tämä mahdollistaa energiatehokkaiden muuntimien valmistamisen hyvin kompaktiin kokoon niin, että älypuhelinten ja kannettavien tietokoneiden laturit voidaan rakentaa lähes samaan kokoon kuin pelkkä verkkopistoke.

Vaikka GaN-kytkimet itsessään ovat hyvin suorituskykyisiä, ne tarvitsevat myös hyvin pitkälle erikoistuneet ohjainpiirit hilaohjausta varten.

Kuva 1: Panasonicin X-GaN 600V -tehotransistorin evaluointikortti.

Panasonic on aloittanut parannellussa moodissa toimivien 600V X-GaN-transistorien ja niille tarkoitettujen huippunopeiden hilaohjainten massatuotannon. Hilaohjain ohjaa transistoreita jopa 4 MHz taajuuksilla (mikä on korkea lukema tehonsyöttöpiireissä) ja integroi kytkentään myös aktiivisen tasolukitustoiminnon (Miller clamp), joka ehkäisee ongelmia huippunopeiden kytkentäprosessien aikana. Transistoreja voidaan käyttää 100 W – 5 kW tehoalueella toimivissa sovelluksissa kuten aurinkokennojen inverttereissä, datakeskusten laitekehikoissa ja mobiilitukiasemien teholähteissä. Otollisia sovelluskohteita löytyy myös AV-välineistä ja lääketieteellisistä laitteista.

Kuva 2: GaN Systemsin kehittämät E-HEMT-tyyppiset GaN-transistorit.

Jäähdytysratkaisut kevenevät

GaN Systems on puolestaan kehittänyt omia prosessejaan, piirirakenteitaan ja kotelointiratkaisujaan tavoitteenaan päästä kokonaan eroon kytkentäjohtimien bondauksesta. Tuloksena yhtiö tarjoaa nyt entistä luotettavampia IC-piirejä aiempaa pienemmissä koteloissa. Yhdistämällä kehittämänsä Island-rakenteen GaNPX-kotelointiin yhtiö tarjoaa satoihin ampeereihin yltäviä kytkinkomponentteja, joiden jäähdyttäminen onnistuu entistä pienemmillä jäähdytyslevyillä ja tuuletusratkaisuilla. Piireillä on positiivinen lämpötilakerroin, minkä ansiosta virta alkaa automaattisesti pienentyä lämpötilan noustessa. Tästä on paljon apua, kun suurivirtaisia monisiruratkaisuja halutaan pakata pieniin IC-koteloihin.

Yhtiön patentoimalla Island-rakenteella voidaan sekä pienentää piirien kokoa että alentaa GaN-kytkimien kustannuksia, kun huomattava osa kytkettävästä virrasta siirretään sirun metalloinnista erilliseen kytkentäjohtimeen.

GaN Systems on kehittänyt erittäin korkeaan hyötysuhteeseen yltävän referenssisuunnitelman, joka perustuu sillattomaan toteemipaalurakenteeseen (BTP). Tehokertoimen korjauksella (PFC) varustetun 3 kilowatin HEMT-piirin tulojännitealue on 176 – 264 volttia ja lähtöjännite 400 volttia. Vaikka BTP-PFC-rakenne on tunnettu jo vuosien ajan hyötysuhteeltaan muita parempana muunninrakenteena, vasta GaN-transitorien tarjoama huippuluokan suorituskyky mahdollistaa ratkaisun tehokkaan hyödyntämisen käytännössä.

Tavanomainen PFC-piiri koostuu täydestä tasasuuntaussillasta ja boost-tyyppisestä esiregulaattorista. Suuri osa järjestelmän tehohäviöistä syntyy kuitenkin diodisillassa, eikä tätä voida välttää edes hyödyntämällä nollapistekytkentää (zero voltage switching) boost-lohkossa. Tämä luonnollisesti rajoittaa perinteisen PFC-rakenteen korkeinta mahdollista hyötysuhdetta.

Hyvin suunniteltu PFC-aste saattaa yltää 97 tai 98 prosentin hyötysuhteeseen, mutta tätä suurempien lukemien saavuttaminen on erittäin haastavaa tavanomaisella PFC-rakenteella diodisillan kiinteiden tehohäviöiden vuoksi.

Esimerkiksi 80PLUS Titanium -hyötysuhdestandardissa vaaditaan, että puolella kuormalla hyötysuhteen on oltava vähintään 94 % alemmassa linjassa ja 97 % ylemmässä linjassa. Koska DC/DC-muuntimien hyötysuhde on tyypillisesti noin 97,5 %, PFC-asteen hyötysuhteen tulisi standardin täyttämiseksi olla yli 98,5 prosenttia. Hyödyntämällä sillatonta PFC-rakennetta voidaan häviöllisten diodien käyttäminen välttää kokonaan ja yltää hyötysuhteessa jopa yli 99 prosentin lukemiin.

BTP-PFC-rakennetta on ehdotettu tehopiireihin jo aiemminkin, mutta sen soveltaminen on ollut hyvin rajallista aivan viime aikoihin asti. Suurin haaste on ollut perinteisen piipohjaisen MOSFET-transistorin kehno palautumiskyky estotilasta puolisiltakytkennässä. GaN-transistori sen sijaan ei tarvitse lainkaan sisäistä rinnakkaisdiodia, ja hyvä suorituskyky suurilla taajuuksilla mahdollistaa rankat kytkentätehtävät puolisiltaan kytketyissä tehoasteissa.

Evaluointikortti avuksi

GaN Systemsin piiriä varten kehitetty evaluointikortti koostuu kolmesta keskeisestä osasta: emolevystä, 5 voltin GaN-puolisillan tytärkortista ja 3,3 voltin PFC-ohjaimen tytärkortista. Emolevy sisältää EMI-suotimen, käynnistyspiirin, linjataajuudella toimivan pii-mosfetin hilaohjaimineen sekä jännitteen ja virran tunnistuspiirit.

PFC-ohjaimen sisältävä tytärkortti sisältää näytteistysnastat virralle sekä tulo- ja lähtöjännitteille. Kortilla on myös neljä pulssinleveysmoduloitua (PWM) lähtöastetta, joista kaksi on johdettu GaN-puolisillalle ja muut kaksi linjataajuudella toimiville MOSFET-transistoreille.

Suurilla taajuuksilla ja tehotasoilla toimivaa GaN-teknologiaa voidaan hyödyntää myös langattomaan lataukseen. AirFuel Alliancen kaltaiset standardit vaativat tehon kytkemistä 6,78 ja 13,56 megahertsin taajuuksilla, jotka tuottavat vaikeuksia pii-mosfeteille. GaN-kytkin taas mahdollistaa sekä suurtaajuisen kytkennän että entistä pienemmän koon, joten langaton laturi voidaan sen avulla sijoittaa pienikokoiseen 700 watin yksikköön esimerkiksi kannettavia tietokoneita varten. Mutta se mahdollistaa langattoman latauksen hyödyntämisen myös paljon suuremmilla, jopa 3, 7 tai 11 kilowatin tehotasoilla sähköautoja varten.

Tärkeä lisä suunnittelijan pakkiin

Langattomien suurtaajuussovellusten jälkeen GaN-teknologia on levinnyt ledipohjaisiin valaistusjärjestelmiin ja viimeksi tehonsyöttösovellusten valtavirtaan. Sen ainutlaatuiset ominaisuudet tarjoavat 99 prosentin hyötysuhdelukemia, joita vaaditaan tämän päivän tehostandardeissa kautta kaikkien järjestelmien. Sekä kannettavat että puettavat elektroniikkalaitteet tarvitsevat yhä enemmän tehoa yhä pienemmistä latureista, ja GaN-teknologiasta on tulossa oleellinen osa suunnittelijoiden ratkaisuvalikoimaa.

Samaten siinä vaiheessa, kun sähköautoista tulee valtavirtaa, korkeaan hyötysuhteeseen yltävien suuritehoisten latausjärjestelmien kysyntä kasvaa entisestään ja galliumnitridi nousee avainteknologiaksi näihin tarpeisiin. Sekä hybridiajoneuvojen, varsinaisten sähköautojen että seuraavan sukupolven langattomasti ladattavien autojen tehonsyöttöratkaisuissa GaN-transistoreilla on hyvät mahdollisuudet edistää autoteollisuuden tulevaisuutta samaan tapaan kuin lukuisilla muillakin teollisuuden sektoreilla.