Компания Enphase рассказывает, как нитрид галлия меняет ее микроинверторы

Аккумулятор FIAMM 12FGH36

Корреспондент побеседовал с директором по продуктам компании Enphase Рагху Белуром о том, как технология на основе нитрида галлия меняет архитектуру микроинверторов компании. Он рассказал о повышении эффективности, удельной мощности и снижении стоимости за счет использования двунаправленных переключающих устройств на основе нитрида галлия.

Американский специалист по силовой электронике Enphase опубликовал технический документ, в котором рассказывается о том, как компания использует двунаправленные переключатели (BDS) на основе нитрида галлия (GaN) для улучшения своих микроинверторов и других продуктов в области распределенной силовой электроники.

Компания Enphase начала использовать технологию нитрида галлия в прошлом году, выпустив систему IQ9N-3P — трехфазный микроинвертор для коммерческих солнечных электростанций. По словам представителей компании, этот продукт обеспечивает более быстрое переключение, более низкую температуру работы, повышенную надежность и эффективность преобразования до 97,5 %.

«Ожидается, что нитрид галлия выведет нас на совершенно новый уровень по стоимости, производительности и надежности, начиная с микроинверторов IQ9, — сказал соучредитель и директор по развитию продуктов (Chief Product Officer, CPO) Рагху Белур в интервью. — Технология GaN BDS структурно гораздо более экономична, чем кремниевая технология, и мы ожидаем, что по мере роста масштабов производства и снижения цен это преимущество будет распространяться на всю платформу».

«GaN постепенно внедряется во все наши инверторы. Та же технология, которая сегодня используется в системах IQ9, будет применяться в микроинверторах IQ10, поддерживающих аккумуляторы нового поколения и двунаправленные зарядные устройства для электромобилей, а также в силовых модулях IQ SST, предназначенных для центров обработки данных с искусственным интеллектом, — добавил Белур. — В долгосрочной перспективе вся линейка продуктов будет полностью переведена на архитектуру на основе нитрида галлия». Этот переход обеспечивает как более высокую эффективность, так и большую компактность: нитрид галлия уже превосходит кремний по эффективности и работает на гораздо более высоких частотах переключения, что позволяет уменьшить размер магнитных элементов и других пассивных компонентов внутри инвертора. Таким образом, повышение эффективности и уменьшение размеров и веса конструкции идут рука об руку, и ожидается, что разрыв в производительности по сравнению с кремнием будет увеличиваться.

Размер и эффективность

Часто считается, что использование нитрида галлия в силовых электронных инверторах обусловлено исключительно повышением эффективности. Хотя устройства на основе нитрида галлия действительно обеспечивают меньшие потери при переключении по сравнению с традиционными компонентами на основе кремния, их основная ценность при проектировании инверторов заключается в изменении архитектуры системы, а не в незначительном повышении эффективности.

Поскольку нитрид-галлиевые транзисторы могут переключаться на значительно более высоких частотах с меньшими потерями и за более короткое время, они позволяют существенно уменьшить размеры пассивных компонентов, используемых в системах преобразования энергии. Таким образом, индукторы, конденсаторы и фильтры могут быть значительно меньше при более высоких частотах переключения, что снижает общий объем, вес и стоимость инвертора.

Кроме того, пассивные компоненты меньшего размера снижают потребность в больших радиаторах, сложных системах жидкостного охлаждения и громоздких защитных корпусах. Механические конструкции также можно упростить за счет снижения массы и тепловых ограничений.

Двунаправленный переключатель

В официальном документе объясняется, что традиционные реализации биполярных транзисторов с изолированным затвором обычно состоят из двух однонаправленных силовых транзисторов, соединенных «спина к спине», что обеспечивает двунаправленный ток и блокировку напряжения с помощью дискретных устройств. В отличие от них, монолитно интегрированные биполярные транзисторы с изолированным затвором на основе нитрида галлия, используемые в устройствах Enphase, выполняют те же функции в рамках единой структуры.

GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов и биполярным переключением заменяют традиционные составные переключатели единой интегрированной структурой, способной блокировать напряжение в обеих полярностях, что устраняет необходимость в больших последовательно соединенных устройствах, которые увеличивают потери на проводимость в традиционных конструкциях. По данным компании, один GaN-транзистор с биполярным переключением также позволяет примерно в четыре раза уменьшить площадь кристалла по сравнению с парой транзисторов, соединенных «спина к спине», что снижает затраты и повышает эффективность.

Схемы управления подложкой

По словам представителей компании, основной технической сложностью при разработке монолитно интегрированных GaN-транзисторов с высокой подвижностью электронов и барьером Шоттки является разработка схемы управления подложкой, необходимой для того, чтобы кремниевая подложка всегда была правильно подключена к соответствующему истоку. В отличие от обычных GaN-транзисторов с высокой подвижностью электронов и одним истоком, в устройствах с барьером Шоттки исток подключается дважды, то есть подложка должна динамически следовать за более низким потенциалом.

Для этого требуется постоянный контроль напряжения и быстрое переключение, чтобы избежать неправильного смещения, которое в противном случае может привести к тому, что подложка будет работать как обратный затвор и влиять на работу устройства.

Для обеспечения надежной работы схема управления интегрирована в кристалл, что упрощает проектирование на системном уровне и способствует масштабируемому внедрению технологии GaN BDS в промышленное производство.

«Несмотря на то, что структура GaN HEMT BDS представляет собой уникальный отход от традиционных однонаправленных конструкций GaN HEMT, она унаследовала все преимущества своих предшественников в плане производительности и стоимости, в том числе повышенную эффективность, высокую частоту переключения и надежность, а также экономичность архитектуры BDS», — говорится в официальном документе.

Другие технические преимущества

Производитель также отмечает, что GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов обеспечивают более высокую устойчивость к перенапряжениям по сравнению с кремниевыми МОП-транзисторами, которые имеют ограниченную защиту от лавинного пробоя, недостаточную для реальных уровней энергии сетевых перенапряжений. В результате системы на основе кремния требуют наличия обширных внешних сетей подавления перенапряжений, в то время как заданные ограничения по напряжению в GaN-транзисторах обеспечивают более надёжную внутреннюю защиту от переходных процессов.

Кроме того, нитрид галлия обладает высокой устойчивостью к однократному выгоранию (single event burnout, SEB) — механизму радиационно-индуцированных отказов, который исторически приводил к выходу из строя кремниевых устройств и требовал повышения номинального напряжения для повышения надежности. Благодаря широкой запрещенной зоне нитрид галлия значительно устойчивее к SEB, чем кремний и карбид кремния (SiC), что обеспечивает более высокую статистическую надежность в долгосрочной перспективе.

Кроме того, такие преимущества материала, как более широкая запрещенная зона, более высокое пробивное напряжение и улучшенная подвижность электронов, позволяют использовать кристаллы значительно меньшего размера — примерно в три раза меньше, чем у кремния, при сопоставимой производительности. Благодаря архитектуре BDS это преимущество увеличивается примерно в десять раз по сравнению с конфигурациями из двух кремниевых полевых МОП-транзисторов, расположенных друг за другом, при этом снижается заряд затвора и повышается частота переключения. По словам представителей компании, это позволяет использовать магнитные системы меньшего размера, повысить эффективность и сделать силовые преобразователи более компактными.

«Значимость этой технологии выходит за рамки замены одного устройства. Сочетая GaN-устройства BDS с модульной архитектурой Enphase, встроенным управлением и крупносерийной производственной платформой, компания Enphase создает масштабируемую основу для более мощных, компактных и гибких систем преобразования энергии, — говорится в официальном документе. — По мере развития технологии производства устройств на основе нитрида галлия компания Enphase ожидает дальнейшего снижения стоимости, повышения эффективности, увеличения частоты переключения и удельной мощности».