Układy scalone GaN (azotek galu), dzięki swoim podstawowym zaletom w postaci niskich strat i wysokiej gęstości mocy, przezwyciężyły ograniczenia tradycyjnych układów krzemowych, stając się kluczowym kierunkiem rozwoju napędów silników średniego i niskiego napięcia. Do kluczowych zalet układów GaN należą: Niska strata przełączania: Zerowa charakterystyka powrotu wstecznego, brak prądu ogonowego, niskie straty przełączania kondensatora, zoptymalizowane straty nakładania się napięcia i prądu, znacząco redukujące całkowite straty systemu. Adaptowalność w wysokich częstotliwościach: Obsługuje wyższą częstotliwość PWM (znacznie przekraczającą zakres 6-16 kHz układów krzemowych). Wzrost częstotliwości skutkuje minimalnym wzrostem strat mocy, skutecznie redukując tętnienia prądu silnika i momentu obrotowego, jednocześnie zwiększając precyzję sterowania. Wysoka gęstość mocy: Umożliwia mniejszym elementom pasywnym (cewkom indukcyjnym i kondensatorom) osiąganie wyższego prądu wyjściowego w tych samych warunkach, obsługując większe obciążenia. Odporność na trudne warunki i szybka reakcja: Charakteryzuje się niskim wzrostem temperatury, doskonałą odpornością termiczną, szybką reakcją dynamiczną i możliwością adaptacji do złożonych warunków pracy. Porównanie podstawowych parametrów sterowników silników na bazie GaN i krzemu (IGBT/MOSFET) współczynnik kontrastu napęd silnika na bazie GaN napęd silnika na bazie krzemu (IGBT/MOSFET) I. Podstawowe charakterystyki materiałów przerwa energetyczna 3,4 eV (szeroka przerwa energetyczna, odporność na wysoką temperaturę i wysokie ciśnienie) 1,12 eV (wąska przerwa energetyczna, niska granica tolerancji) przewodność cieplna Około trzy razy większa niż krzemu (wysoka przewodność cieplna) Wartość odniesienia (około 150 W/(m·K), przy słabej przewodności) prędkość nasycenia elektronów 2,8×10⁷ cm/s (obsługiwane przełączanie wysokiej częstotliwości) Około 1×10^7 cm/s (ograniczona wydajność wysokiej częstotliwości) II. Maksymalna częstotliwość przełączania przełącznika Obsługuje poziom MHz (zwykle 100 kHz+; w niektórych scenariuszach osiąga MHz) Znamionowy na 20 kHz, ale zwykle działa w zakresie 6–16 kHz (praca na wysokiej częstotliwości powoduje znaczną utratę mocy) Ładunek odzyskiwania wstecznego Zero (brak strat odzyskiwania wstecznego, obsługuje wysokie przełączanie di/dt/dv/dt) IGBT wymaga diod równoległych, które nadal powodują straty odzyskiwania wstecznego; dioda wewnętrzna MOSFET ma wysoki czas martwy Qrr. Minimum 14 ns (zmniejsza harmoniczne momentu obrotowego i wibracje) 100–500 ns (może powodować nieciągłość prądu, prowadzącą do harmonicznej momentu obrotowego szóstego rzędu) III. Charakterystyka strat Redukcja strat przełączania (w porównaniu z krzemem) Zmniejszenie trybu dyskretnego 39% (11,6 W w porównaniu z 19 W), zmniejszenie trybu łączonego 24,5% (12,3 W w porównaniu z 16,3 W) Wartość bazowa (wysoka częstotliwość powoduje wysoki współczynnik strat, ograniczając wydajność) zwiększenie częstotliwości przyrost strat Wzrost mocy wynosi tylko 0,7 W, gdy częstotliwość jest zwiększona z 20 kHz do 40 kHz, a przyrost strat jest zmniejszony o 831111111111. Moc wyjściowa wzrasta o 4,1 W, gdy moc wyjściowa jest zwiększona z 20 kWz do 40 kWz (przy znacznym wzroście strat wraz ze wzrostem częstotliwości). Rezystancja w stanie włączenia (RDS(on)) Na podstawie dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) jest znacznie niższa niż w przypadku urządzeń krzemowych o tych samych specyfikacjach. Rezystancja przewodzenia (RDS) tranzystora MOSFET wzrasta wraz z natężeniem prądu i temperaturą, podczas gdy tranzystor IGBT utrzymuje stałe napięcie nasycenia, ale wykazuje stratę prądu ogonowego. IV. Właściwości termiczne rezystancja cieplna urządzenia (Rth (is)) Od 0,5 K/W (układ typu flip-chip/CCP, krótka ścieżka termiczna) Od 1,5 do 2 K/W (tradycyjna obudowa o niskiej sprawności rozpraszania ciepła) Różnice w temperaturze złącza przy takim samym poborze mocy Niska temperatura obudowy (20–40°C) (szybkie przewodzenie ciepła, minimalna akumulacja ciepła) Temperatura jest zbyt wysoka i może spowodować wyzwolenie zabezpieczenia przed przegrzaniem Zapotrzebowanie na radiatory Urządzenia o mocy poniżej 200 W nie wymagają radiatora; rozwiązanie w obudowie zamkniętej 1 kW eliminuje potrzebę stosowania radiatora, gdy natężenie prądu jest niższe niż 18 A. Systemy średniej i niskiej mocy nadal wymagają radiatorów, podczas gdy moduły chłodzenia cieczą/zimnym powietrzem dużej mocy V. Cechy konstrukcyjne systemu Objętość pasywnych komponentów Zastąpienie kondensatora elektrolitycznego 330 μF kondensatorem ceramicznym 22 μF zmniejsza rozmiar cewki (obniżając wymagania pojemnościowo-indukcyjne przy wysokich częstotliwościach). Polegaj na kondensatorach elektrolitycznych i cewkach o dużej objętości (wymagających symulacji tętnienia prądu przy niskiej częstotliwości) Gęstość mocy (prąd wyjściowy) Rozwiązanie dyskretne zapewnia o 3,5 A wyższy efektywny stosunek wartości prądu (Si), jednocześnie obsługując większą obciążalność przy identycznym wzroście temperatury. Wartość odniesienia (wzrost prądu ograniczony przez straty mocy i rozpraszanie ciepła) zakłócenia elektromagnetyczne Wysoka integracja (np. uszczelnienie półmostkowe), umożliwiająca wewnętrzne osadzenie silnika w celu zmniejszenia długości kabla i zminimalizowania EMI. Dyskretny układ, długa długość kabla, silne promieniowanie EMI przy wysokiej częstotliwości VI. NIEZAWODNOŚĆ tolerancja temperatury Tolerancja temperatury jest znacznie lepsza niż w przypadku urządzeń na bazie krzemu (stabilizacja pracy przy dużym obciążeniu). Niska tolerancja temperatury, skrócona żywotność przy wysokiej temperaturze żywotność urządzenia (model Arrheniusa). Żywotność podwaja się przy każdym spadku temperatury złącza o 10°C (niższa temperatura złącza wydłuża żywotność). Wysoka temperatura obudowy i stosunkowo krótka żywotność. Średni czas między awariami (MTBF) Wyższy (niskie straty + niskie naprężenie cieplne, zmniejszające ryzyko awarii). Niższy (wyższe naprężenie cieplne i prawdopodobieństwo awarii z powodu zużycia). Typowi producenci i rozwiązania GaN TI DRV7308 Zintegrowany przedsterownik GaN FET z modulacją trójfazową i możliwością sterowania zorientowanego polowo. Obudowa QFN o wymiarach 12 mm x 12 mm, z wydajnością ponad 99% w zastosowaniach napędu silników 250 W, eliminująca potrzebę stosowania radiatora. Rozwiązanie niskonapięciowe Innosense (wejście 48 V–60 V, kompatybilne z silnikami klasy 1 kW). Schemat dyskretny (INNDMD48V25A1): 6 INN100EA035A + 3 INS2003FQ, całkowita strata 11,6 W (schemat krzemowy 19 W) przy 40 kHz/20 A, a wzrost temperatury wynosi tylko 10°C przy zwiększeniu częstotliwości do 40 kHz. Schemat hermetyzacji (INNDMD48V22A1): 3 ISG3204LA, półmostek galu (GaN), całkowita strata 12,3 W (schemat krzemowy 16,3 W) przy 40 kHz/20 A, radiator nie jest wymagany poniżej 18 A. Firmy takie jak Texas Instruments (TI), Infineon, Innosense, EPC i Nanoware aktywnie pracują nad zastosowaniem azotku galu (GaN) w robotach humanoidalnych, w szczególności w układach napędowych.
