GaN (galliumnitrid) optræder i stadigt flere applikationer, og GaN er på mange måder en fremtrædende WBG-teknologi (Wide Band Gap) inden for de nyeste effektdesign som følge af de meget små tab i GaN-komponenterne. Hvornår skal man så vælge GaN frem for SiC (siliciumcarbid), silicium-MOSFETs eller IGBT’er?
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 6 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Tip til valg af WBG-teknologi fra Doug Bailey, vicedirektør for marketing, Power Integrations
SiC, GaN silicium-junction MOSFETs eller IGBT’er? Det er ét af de spørgsmål, som de seneste mange år er blevet diskuteret på PCIM-messen i Nürnberg. Hver teknologi har sin egen rolle på effektmarkedet, og det er derfor, at vi hos Power Integrations ikke ser GaN som et marked, men snarere som en teknologi. GaN er kun én slags ammunition i våbenkammeret i kampen mod tab i effektelektronikdesigns side om side med SiC og flere forskellige MOSFET-teknologier. Hos Power Integrations vælger vi altid den teknologi, som vi finder bedst egnet til en given opgave – applikation for applikation.
Opfattelsen af GaN’s position på markedet har ændret sig med vores mildest talt dramatiske – og det er nok et acceptabelt adjektiv at bruge – lancering af en GaN-komponent med en breakdown-spænding på 1700V. Set i et større perspektiv er de 1700V hele 450V højere end vores foregående bedste komponent og rundt regnet 70 procent højere end det bedste, nogen af de andre GaN-producenter kan tilbyde (hvilket i øvrigt heller ikke for nuværende sker i form af højvolumenprodukter til udskibning). De fleste GaN-virksomheder kæmper med at nå væsentligt over 750V. Vi lancerede hos Power Integrations en flyback-strømforsyning, InnoMux-2, til nominelle 1700V, så den let kan håndtere 1000VDC rail-spændingsapplikationer. Den kan leveres med kun 16 ugers leadtime i volumenkvanta – og man kan få samples direkte fra hylden.
Men hvad betyder det så for industrien og hele debatten om ”GaN vs. SiC – og hvilken effekt-IC teknologi er bedst”-diskussionen? Kort fortalt, så regner vi med, at GaN snart vil kunne opfylde behovet i begge applikationssektorer fra effekter ned til nogle-10W til hundredvis af kilowatt.
Opdeling af markedet
Lad os lige tage et breakdown af markedet: GaN har allerede overtaget laveffektmarkedet fra 30W til – lad os sige – 240W. Det skyldes, at GaN er langt mere effektivt end super-junction MOSFETs med GaN’s ekstremt lave switching-tab og meget lave specifikke RDS(on). Derfor kan man realisere meget høje effekttætheder, da komponenterne kan gøres mindre trods den højere effekt – og de termiske designudfordringer bliver massivt reduceret.
Selv om MOSFETs for tiden er billigere end sammenlignelige GaN HEMTs, så gør behovet for avancerede, resonante topologier og køleplader MOSFET’erne til et mindre prisoptimalt alternativ til GaN på systemniveau. Disse GaN-fordele vil kun blive mere udtalte, i takt med at economy-of-scale sætter ind med større produktionsvolumener. Den eneste grund til, at MOSFETs vil blive valgt til laveffektapplikationer (for eksempel <20 W) er, at GaN-komponenter ved så lave effekter er så små, at de kan være svære at håndtere i montagen.
Når vi bevæger os op igennem effektniveauerne til 500W, 1kW og op til 10kW, så står GaN også stærkest. Her ser vi på applikationer som hvidevarer, elcykel-opladere, HVAC-kompressorer, solcelleanlæg og en række automotive funktioner som on-board opladere (OBC) og erstatningskredsløb for blysyre-batteristyringer samt strømforsyninger til servere i datacentre.
Alle disse produkter er ved at overgå fra MOSFETs. Visse produkter anvender i dag SiC-teknologien, og da SiC- og GaN har nogenlunde sammenlignelig effektivitet ved disse effektniveauer, hvorfor skulle GaN så være at foretrække hér? Prisen er det helt enkle svar. SiC kræver store mængder af effekt på grund af de høje temperaturkrav i fremstillingsprocessen. Det gør GaN ikke. En GaN-komponent er reelt ikke meget dyrere at fremstille end en siliciumkomponent, og GaN kan fremstilles på eksisterede halvlederlinjer med kun nogle relativt få modifikationer.
På vej mod de store invertere
Stadigt flere af disse 1-10kW-applikationer, som tidligere var SiC- og MOSFET-teknologiernes enemærker, vil nu kunne realiseres med GaN, og festen stopper ikke her. På nuværende tidspunkt topper GaN ved effekter på 7-10kW. Det er noget mindre end behovet på markedet for elbil-opladere, som for tiden udgør det største enkeltstående marked (TAM) for effekt-IC ’er, men det gælder så kun, hvis man skal en faktor 10 op i forhold til dagens GaN-teknologier for at ramme elbiler med ladebehov på rundt regnet 100kW. Men inden for elektronikken er en faktor 10 kun et spørgsmål om nogle få år. Der er med andre ord ikke nogen substantiel constraint for brugen af GaN – eller heller ikke nogen effektmæssig fysisk grænse. Der mangler altså hverken innovation eller inspiration, kun en rent lineær udvikling.
I den øverste ende af ydelsesskalaen – som for multi-MW vindturbiner og GW højvolt DC-installationer – har IGBT’erne sin etablerede niche med relativt prisbillige produkter. Det presser SiC ned i en stadigt mindre del af effektskalaen og dermed markedet, da SiC ikke kan levere de høje strømme, som andre vertikale teknologier kan tilbyde.
Til sidst et ikke uvæsentligt punkt: Når en hvilken som helst ny teknologi dukker op på markedet – eller tager et hastigt spring fremad, så er første brug som regel direkte 1:1-erstatninger for foregående teknologier. Men så sker det typisk, at et lyst hoved dukker op og siger: ”jo, det er da i orden, men den nye teknologi gør det muligt for os at gentænke et eksisterende design fuldstændigt”. Det fører som regel til nye koncepter, det maksimerer anvendelsen af en ny teknologi uden nogen skelen bagud til tidligere tiders referencer og ”gamle løsninger”. Elektronikken undergår løbende innovation på alle områder inden for mikroelektronikken lige fra kapsling, systemer og algoritmer til udvikling af applikationsspecifikke effektprodukter, som puffer hele planeten fremad med hensyn til effektivitet, prisoptimering og komponentantal – og det åbner for helt nye idéer på markederne.
Billedtekster:
1: Oversigt over brug af effektkomponenter afhængigt af anvendelse og nominel effekt.
2: Power Integrations er meget stærke inden for GaN-løsninger – blandt andet med deres InnoMux2 flyback-konverter til 1700V, der egner sig til en lang række mindre effektdesigns.
3: Doug Bailey har været marketingchef hos Power Integrations i mange år, og på dette års PCIM kunne han fortælle om udviklingen inden for WBG-teknologier – og hvornår man skal bruge den ene eller den anden teknologi.
