ICeGaN-løsningen er en nem use drop-in erstatning for de mere ineffektive IGBT’er
Artiklen har været bragt i Aktuelt Elektronik nr. 1 – 2025 og kan læses uden illustrationer herunder
(læs originalartiklen her)
Af Di Chen, forretnings- og marketingdirektør, Cambridge GaN Devices (CGD)
Selv om GaN (galliumnitrid) i snart et årti har været foreslået som en alternativ løsning i invertere og motordrev, så er der kun et fåtal af GaN-applikationer i dette fagområde. GaN har bevist sin funktion mange andre steder – som i ladere – men først nu bliver GaN for alvor afprøvet inden for motordrev, og nu begynder en række gode løsninger at dukke op.
Størrelse og effekttæthed har været de afgørende parametre på markedet for ladere. Med ét slag blev laderne mindre og med en langt større ydelse end før. Størrelse kan dog også have en betydning i motorstyringer, hvor de mere traditionelle VFD-motorer (variable frekvensdrev) i kommercielle applikationer som pumper og blæsere er populære, da disse løsninger ikke har noget filter på udgangen, hvor de tre faser som regel er direkte forbundet til motorviklingerne. Der er altså ingen grund til at gøre de passive komponenter mindre og dermed ingen grund til at skifte til GaN. Markedet for motorinvertere er desuden velmodnet og dermed også ekstremt prisfølsomt.
GaN kan dog imødekomme flere nye teknologiske tendenser på inverter-markedet, især på området for 100W til 2000W, da prisen på disse GaN-produkter rasler ned for tiden.
Figur 1 viser, at værdikæden for GaN ikke alene trækker størrelsen ned. GaN gør også højere effekt-outputs inden for en given kapslingsstørrelse mulig, da GaN udvikler betydeligt mindre varme(tab). Det fører til mere pålidelige løsninger trods de højere effektniveauer. Det letter også den fremtidige integration. I figuren kan vi se sammenligningerne med diskrete MOSFET- og IGBT-designs, hvor GaN leverer rådighedseffekter op til 300W uden ekstern køleplade. Og kan man fjerne kølepladen, så falder både vægt og pris i/af designet, ligesom konstruktionen bliver lettere at fremstille.
Hvis effektbehovet er større – som i nogle få kilowatt – så kan man fortsat godt bruge GaN, men med tilføjet køling i én eller anden form. På et yderst modnet marked behøver man såmænd ikke at ændre sit design, da man fortsat kan switche ved 20kHz, så motordesigns og invertere kan forblive i deres ”komfortzone”. Tag for eksempel et 500W motordrevdesign. Typisk ville en sådan løsning kræve en IGBT med en stor TO-247-komponent med en tilføjet køleplade. Med GaN kan man realisere løsningen i et kompakt 8×8 DFN-hus – og alligevel droppe kølepladen og udelukkende bruge printet til køling af designets aktive del.
Integrerede effektmoduler
Ser vi nu på IPM’er (Integrerede Power Moduler), som er populære i flere motordrev som aircondition-enheder og BLDC-drev generelt (børsteløse DC-motordrev) på grund af enkeltheden og pålideligheden i disse løsninger, så er historien den samme: Mere effekt i samme formfaktor og mindre kølebehov. Figur 2 viser de ydelsesmæssige fordele ved GaN-komponenter i forhold til IGBT’er og SiC-løsninger (siliciumkarbid).
En analyse af GaN versus IGBT’er – de traditionelle løsninger op til 3kW/650V – viser, at GaN har op til seks gange mindre turn-on tab og op til ni gange mindre turn-off tab. De lave ledertab i GaN betyder yderligere, at ydelsen ved lave belastninger for denne teknologi er ekstremt god. IGBT’er har et ”knækpunkt” eller tærskelspænding, så de tænder ikke, før systemet når 0,7V. Det betyder, at mens IGBT’er og GaN begge udviser en høj effektivitet ved store belastninger, så falder effektiviteten ved måske 20 procents belastning voldsomt for IGBT-løsningen (figur 3).
Selv ved lave switching-hastigheder giver GaN betydelige effektivitetsforbedringer – ikke mindst ved lave belastninger. Resultatet er en højere effekthåndtering og mindre BOM-omkostninger gennem en reduktion af de termiske komponenter som køleplader og blæsere, især hvis man anvender materialer som IMS (Insulated Metal Substrate eller DBC (Direct Bonded Copper) – men de enkle og billige FR4-substrater er ofte rigeligt til køling af GaN-komponenterne. Det har stor betydning for bæredygtigheden i designet og hjælper producenter til at opfylde standarderne for energieffektivitet med mindst muligt spild. Det fører i sidste ende til et bedre pris-/watt-forhold.
Man siger ofte, at systemfrekvensen ikke er afgørende i motordrev-/inverter-designs, men i visse tilfælde kan der være et incitament til at øge driftsfrekvensen. Højere switching-frekvenser giver en blidere og mere stille bevægelsesprofil og -styring, mindre støj over 20kHz, hvad der især er gavnligt i hvidevareapplikationer, og reduktion af ripple og THD (forvrængning). Hvor IGBT’er typisk er begrænsede til 50kHz, er der med GaN ingen problemer i at øge switching-hastigheden til 100kHz-200kHz.
Hvorfor ICeGaN?
Generelt kan vi se, at GaN giver mange fordele på systemniveau i forhold til IGBT’er i motordrev og inverter-designs op til 3kW. ICeGaN, Cambridge GaN Devices’ optimerede GaN-on-silicon effekttransistorteknologi, giver yderligere fordele, primært i form af enkle designs. Der kræves ingen selvstændig driver, og designeren kan bruge en hvilken som helst styring til deres IGBT’er eller MOSFETs – bogstaveligt talt den samme controller – til styring af CGD’s ICeGaN-komponenter uden at ændre noget som helst.
De fleste IGBT’er styres ved 15V: ICeGaN’s HEMT-løsning kan kontrolleres med alt mellem ni og 20V, så 15V er præcis i ICeGaN’s sweet spot. Det er især populært på et modnet marked. Så når man fortæller designere af motordrev – som har brugt IGBT’er hele deres liv – at de skal designe en stram loop-styring og en speciel 0 til 6V gate driver, så giver det masser af panderynker. CGD’s direkte erstatning af driver-kredsløbet er derimod en helt enkel plug-and-play erstatning, og dét er lettere at sluge for selv meget konservative designere.
Fra et layout-synspunkt viser figur 4 et trefaset effekttrin med IGBT’er sammenlignet med ICeGaN GaN-transistorer. Dette design var oprindeligt udført til IGBT’er, som – som følge af IGBT’ernes langsomme switching-hastighed – ikke har brug for gate-loop. Det er et sløjt design, og der en ingen muligheder for loop-optimering overhovedet. Med GaN er der heller ikke behov for loop-optimering.
Vi kan i figur 5 se output-plots for de to board-løsninger, og ICeGaN fungerer særdeles godt med en meget ren kurveform. Det skyldes den interne Miller-clamp, som CGD har implementeret i GaN-løsningen side om side med switchen i ICeGaN-transistorerne, og den løsning holder gate i off-tilstand internt under en off-tilstand.
De resulterende kurveformer viser ingen overshoots eller ringning – det er en ultraren turn-on VGS. Peak for gate driver-strømmen er på kun 100mA, altså en faktor 10 mindre end for IGBT’er. Det er afgørende i visse designs, hvor driveren er inkluderet i motordriverens controller-IC. Visse drivere er ikke specielt stærke med kun omtrent 300 til 500mA, hvilket ikke altid rækker til at tænde eller slukke en IGBT. ICeGaN giver derimod masser af headroom.
Strømføling spiller også ind: ICeGaN har en integreret strømfølerfunktion on-chip, og det eliminerer behovet for strøm-shunts. Endelig har ICeGaN kun et interface-kredsløb integreret. Det omfatter ikke selve controlleren i modsætning til visse andre GaN-udbyderes produkter. CGD’s løsning giver en bedre mulighed for at fintune slew-rate for turn-on. I praksis oplever man ICeGaN som en diskret løsning, der dermed også er langt lettere at styre og optimere.
GaN-teknologien kan bruges til både motordrev og inverter-designs til forøgelse af effekten og en reduktion af BOM’en samt en blødere og mere stille motorstyring gennem muligheden for højere switching-frekvenser. ICeGaN gør det ydermere helt enkelt for designere at implementere regulære drop-in erstatninger, der kan anvendes i eksisterende drivere uden noget behov for optimering af det oprindelige kredsløbs-layout.
Billedtekster:
Figur 1: Sammenligning af effekt-outputs for diskrete og IPM MOSFET/IGBT samt GaN-løsninger.
Figur 2: GaN-komponenter har langt lavere switching-tab end IGBT’er.
Figur 3: GaN har en flad kurve for energieffektiviteten uanset belastningsgraden.
Figur 4: Trefaset evaluerings-board uden loop-optimering.
Figur 5: ICeGaN-fordele med en styret slew-rate.
