En GaN-transistor som ser bäst ut på papperet behöver inte ge den högsta verkningsgraden i den färdiga effektomvandlaren. Nexperias Filippo Scrimizzi och Olaf Vogt menar att GaN därför måste utvärderas på systemnivå, inte genom att bara jämföra RDS(on), kapacitanser och andra enskilda databladsvärden.
Effektelektronik har länge jämförts genom parametrar för enskilda komponenter. För kisel, GaN och kiselkarbid blir en sådan jämförelse dock allt mindre relevant när skillnaderna mellan teknikerna påverkar konstruktionen av hela omvandlaren.
– Kunden måste ändra sitt sätt att tänka. Man måste titta på systemets effektivitet från början till slut, sade Filippo Scrimizzi, som leder Nexperias systemapplikationsverksamhet i Europa, vid Pretzl Connect i Budapest.
Det blir särskilt tydligt med GaN. Komponenten switchar betydligt snabbare än en traditionell kisel-MOSFET. I en trefasinverter kan dead time med kisel ligga på hundratals nanosekunder, medan stig- och falltiderna för GaN kan vara nere på några få nanosekunder.
Att helt enkelt ersätta en MOSFET med GaN i en befintlig konstruktion ger därför inte automatiskt den förväntade vinsten. Drivningen, switchtiderna och kretskortslayouten måste anpassas, och även dynamiskt RDS(on) måste tas med i beräkningen. Enligt Scrimizzi är GaN betydligt känsligare för layouten än en kisel-MOSFET.
Nexperia illustrerade detta genom att jämföra sin första generation av 650-volts cascode-GaN med en konkurrerande e-mode-komponent. På databladet såg konkurrenten bättre ut på nästan alla centrala punkter. Dess typiska RDS(on) var 25 milliohm mot Nexperias 33 milliohm, och även utgångskapacitansens laddning och termiska resistans såg bättre ut.
I Nexperias buck-omvandlare, som omvandlade 400 volt till 230 volt vid 200 kilohertz, gav företagets egen GaN-komponent högre verkningsgrad vid högre effekter. Enligt Nexperia visar testet varför det inte går att avgöra en GaN-komponents verkliga prestanda genom att jämföra några få siffror i databladet.
Frågan blir ännu viktigare i kraftaggregat för AI-datacenter, där effekttätheten snabbt ökar. GaN kan samtidigt ge högre switchfrekvens, bättre verkningsgrad och högre effekttäthet och dessutom minska kraven på kylningen. Resonanta topologier kan dra särskilt stor nytta av GaN-komponenternas lägre switchförluster och kapacitanser.
Men Nexperia räknar inte med att GaN ska ersätta de andra effekthalvledarna. På olika ställen i ett datacenters kraftkedja kan kisel, GaN eller SiC vara den optimala tekniken – och de kan även kombineras inom samma omvandlarsteg.
Ett exempel är flerfasomvandlare som matar CPU:er, GPU:er och DDR-minnen. Switchfrekvenserna ligger idag omkring 600 kilohertz. Om frekvensen höjs mot en megahertz ser Scrimizzi en möjlig konstruktion där GaN används på high-side medan en konventionell kisel-MOSFET behålls på low-side.
– GaN är inte den vinnande tekniken. Det handlar om en kombination av tekniker, sammanfattade Scrimizzi.