Düşük kayıp ve yüksek güç yoğunluğu gibi temel avantajlarıyla GaN (galyum nitrür) çipler, geleneksel silikon tabanlı cihazların sınırlamalarını aşarak orta ve düşük voltajlı motor sürücüleri için kilit geliştirme yönü olarak ortaya çıkmıştır. GaN çiplerin temel avantajları şunlardır: Düşük anahtarlama kaybı: Sıfır ters toparlanma özelliği, kuyruk akımı olmaması, kapasitörün düşük anahtarlama kaybı, optimize edilmiş voltaj-akım örtüşme kaybı, sistemin toplam kaybını önemli ölçüde azaltır. Yüksek frekans uyarlanabilirliği: Daha yüksek PWM frekansını destekler (silikon tabanlı cihazların 6-16 kHz aralığını çok aşar). Frekans artışı, minimum güç kaybı artışına neden olur, motor akım dalgalanmasını ve tork dalgalanmasını etkili bir şekilde azaltırken kontrol hassasiyetini artırır. Yüksek güç yoğunluğu: Daha küçük pasif bileşenlerin (indüktörler ve kapasitörler) aynı koşullar altında daha yüksek çıkış akımı elde etmesini sağlayarak daha büyük yükleri destekler. Zorlu ortam ve hızlı tepki: Düşük sıcaklık artışı, üstün termal direnç, hızlı dinamik tepki ve karmaşık çalışma koşullarına uyarlanabilirlik özelliklerine sahiptir. GaN ve Si Tabanlı (IGBT/MOSFET) Motor Sürücülerinin Temel Parametrelerinin Karşılaştırılması Kontrast Oranı GaN tabanlı motor sürücüsü Si tabanlı motor sürücüsü (IGBT/MOSFET) I. Malzemelerin Temel Özellikleri Enerji aralığı 3,4 eV (geniş bant aralığı, yüksek sıcaklık ve yüksek basınca dayanıklı) 1,12 eV (dar bant aralığı, düşük tolerans limiti) Isı iletkenliği Silikonun yaklaşık üç katı (yüksek termal iletkenlik) Referans değer (yaklaşık 150 W/(m·K), zayıf iletkenlik ile) Elektron doyma hızı 2,8 × 10⁷ cm/s (yüksek frekanslı anahtarlama desteklenir) Yaklaşık 1 × 10⁷ cm/s (yüksek frekans performansı sınırlı) II. Anahtar Performansı maksimum anahtarlama frekansı MHz seviyesini destekler (tipik olarak 100kHz+; bazı senaryolarda MHz'ye ulaşır) 20kHz olarak derecelendirilmiştir, ancak tipik olarak 6-16kHz arasında çalışır (yüksek frekanslı çalışma önemli güç kaybına neden olur) ters toparlanma yükü Sıfır (ters toparlanma kaybı yok, yüksek di/dt/dv/dt anahtarlamayı destekler) IGBT paralel diyotlar gerektirir, bu da yine de ters toparlanma kaybına neden olur; MOSFET'in gövde diyotunun yüksek bir Qrr değeri vardır. ölü zaman Minimum 14ns (tork harmoniklerini ve titreşimi azaltır) 100-500ns (akım süreksizliğine neden olabilir, bu da altıncı dereceden tork harmoniğine yol açar) III. Kayıp Özellikleri Anahtarlama kaybı azaltımı (silikona kıyasla) Ayrık rejimde 39% azaltıldı (11,6 W'a karşı 19 W), birleşik rejimde 24,5% azaltıldı (12,3 W'a karşı 16,3 W) Temel değer (yüksek frekans yüksek kayıp oranına neden olur, verimliliği sınırlar) Frekans artışı kayıp artışı Frekans 20 kHz'den 40 kHz'e çıkarıldığında güç artışı sadece 0,7 W olurken, kayıp artışı 83% azaltıldı. Çıkış gücü 20 kW'tan 40 kW'a çıkarıldığında güç çıkışı 4,1 W artar (frekans yükseldikçe kayıp önemli ölçüde artar). Açık direnç (RDS(on)) İki boyutlu elektron gazına (2DEG) dayalı olarak, aynı özelliklere sahip silikon cihazlardan çok daha düşüktür. MOSFET'in açık direnci (RDS) akım ve sıcaklıkla artarken, IGBT sabit bir doyma voltajı korur ancak kuyruk akımı kaybı gösterir. IV. Termal Özellikler Cihaz termal direnci (Rth(is)) 0,5K/W kadar düşük (flip-chip/CCP, kısa termal yol) 1,5-2K/W (düşük ısı dağıtım verimliliğine sahip geleneksel paket) Aynı güç tüketiminde bağlantı sıcaklığındaki farklılıklar Düşük gövde sıcaklığı (20-40℃) (hızlı ısı iletimi, minimum ısı birikimi) Sıcaklık çok yüksek ve aşırı ısınma korumasını tetikleyebilir Isı emici ihtiyacı 200W'ın altındaki cihazlar için ısı emici gerekmez; 1kW sızdırmaz paket çözümü, akım 18A'nın altında olduğunda ısı emici ihtiyacını ortadan kaldırır. Orta ve düşük güçlü sistemler hala ısı emicilere ihtiyaç duyarken, yüksek güçlü büyük ölçekli soğuk hava/sıvı soğutma modülleri V. Sistem Tasarım Özellikleri Pasif bileşenlerin hacmi 330μF elektrolitik kondansatörün 22μF seramik kondansatörle değiştirilmesi indüktör boyutunu azaltır (yüksek frekanslarda kapasitif-indüktif gereksinimleri düşürür). Büyük hacimli elektrolitik kondansatörlere ve indüktörlere dayanır (düşük frekansta akım dalgalanması simülasyonu gerektirir) Güç yoğunluğu (çıkış akımı) Ayrık çözüm, aynı sıcaklık artışında daha büyük yük kapasitesini desteklerken 3,5A daha yüksek etkili akım değeri oranı (Si) sağlar. Referans değer (akım artışı güç kaybı ve ısı dağılımı ile sınırlıdır) elektromanyetik girişim Yüksek entegrasyon (örneğin, yarım köprü sızdırmaz), kablo uzunluğunu azaltmak ve EMI'yi en aza indirmek için dahili motor yerleştirmeye olanak tanır. Ayrık düzen, uzun kablo uzunluğu, yüksek frekansta güçlü EMI radyasyonu VI. GÜVENİLİRLİK sıcaklık toleransı Sıcaklık toleransı, Si tabanlı cihazlara göre çok daha üstündür (yüksek yük altında stabil çalışma sağlar) Düşük sıcaklık toleransı, yüksek sıcaklıkta ömrü kısalır cihaz ömrü (Arrhenius modeli) Bağlantı sıcaklığındaki her 10℃ düşüş için ömür iki katına çıkar (daha düşük bağlantı sıcaklığı ömrü uzatır) Yüksek gövde sıcaklığı ve nispeten kısa ömür Arızalar Arası Ortalama Süre (MTBF) Daha yüksek (düşük kayıp + düşük termal stres, arıza riskini azaltır) Daha düşük (aşınma nedeniyle daha yüksek termal stres ve arıza olasılığı) Tipik GaN üreticileri ve çözümleri TI DRV7308 Üç fazlı modülasyon ve alan yönlendirmeli kontrol özelliğine sahip entegre GaN FET ön sürücüsü. 12 mm × 12 mm QFN paketi, 250 W motor sürücü uygulamalarında 99%'in üzerinde verimlilikle, ısı emiciye olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Innosense Düşük Voltaj Çözümü (48V-60V Giriş, 1kW Sınıfı Motorlarla Uyumlu) Ayrık şema (INNDMD48V25A1): 6 INN100EA035A + 3 INS2003FQ, 40kHz/20A'da toplam kayıp 11,6W (Si şeması 19W) ve frekans 40kHz'e çıkarıldığında sıcaklık artışı sadece 10℃'dir. Kapsülleme şeması (INNDMD48V22A1): 3 ISG3204LA yarım köprü GaN kapsülleme, 40kHz/20A'da toplam kayıp 12,3W (Si şeması 16,3W), 18A'nın altında radyatöre gerek yoktur. Texas Instruments (TI), Infineon, Innosense, EPC ve Nanoware gibi şirketler, özellikle motor sürücü sistemleri için insansı robotlarda galyum nitrür (GaN) uygulamaları geliştirmekte aktif olarak çalışmaktadır.
