Dwukierunkowe przełączniki GaN – rewolucja w elektronice mocy

W obliczu bezprecedensowego wzrostu zapotrzebowania na energię na świecie projektanci nieustannie stają przed wyzwaniem zapewnienia wyższych poziomów mocy z większą wydajnością i w mniejszych systemach, a zjawisko to obejmuje całe spektrum urządzeń osobistych, jak infrastruktura AI, energia słoneczna, systemy akumulatorów, silniki i pojazdy. Azotek galu (GaN), dzięki swoim doskonałym właściwościom półprzewodnikowym, umożliwia prawdziwą rewolucję w elektronice mocy, napędzaną pojawieniem się najszybszych i najmniejszych przełączników mocy, jakie kiedykolwiek stworzono.

Wysokonapięciowe dwukierunkowe przełączniki GaN (BDS) umożliwiają tworzenie bardziej wydajnych, kompaktowych i ekonomicznych przetwornic mocy, pozwalając na przewodzenie prądu i jego blokowanie w obu kierunkach w ramach jednego urządzenia. Obsługują innowacyjne, jednostopniowe topologie przetwornic mocy, co pozwala na zredukowanie liczby komponentów i poprawę sprawności w takich zastosowaniach jak infrastruktura centrów danych AI, mikrofalowniki solarne, systemy magazynowania energii oraz ładowarki pokładowe w pojazdach (OBC)

Jednostopniowa konwersja mocy

Dzięki Renesas GaN BDS projektanci mogą wyeliminować tradycyjne dwustopniowe przetwornice AC/DC z elektrolitycznymi kondensatorami DC-link, co umożliwia tworzenie jednostopniowych topologii z mniejszą liczbą komponentów, niższą masą i wyższą wydajnością. Topologie te obsługują dwukierunkowy przepływ energii, co jest kluczowe zarówno w konwersji AC/DC, jak i w falownikach DC/AC. Urządzenia umożliwiają również budowę nieizolowanych, wielopoziomowych topologii typu T-NPC (Neutral Point Clamp), takich jak prostowniki Wiedeńskie (Vienna rectifiers). Rozwiązania te charakteryzują się niższymi stratami przewodzenia i idealnie nadają się do trójfazowej infrastruktury AI oraz napędów silnikowych, oferując dwukierunkowość i zredukowane zakłócenia EMI.

Źródło: Renesas

Renesas GaN BDS umożliwiają tworzenie innowacyjnych topologii, takich jak jednostopniowe przetwornice AC/DC, co przekłada się na mniejszą liczbę elementów i mniejsze, lżejsze i bardziej wydajne systemy zasilania.

Wysokonapięciowy, dwukierunkowy przełącznik GaN TP65B110HRU firmy Renesas o napięciu 650 V i rezystancji 110 mΩ blokuje zarówno prądy dodatnie, jak i ujemne, osiągając jednostopniową konwersję mocy i wyższą sprawność wykorzystując mniejszą liczbą podzespołów w porównaniu z tradycyjnymi jednokierunkowymi przełącznikami krzemowymi lub SiC. Dzięki temu znika potrzeba stosowania pośrednich kondensatorów DC-link w mikroinwerterach słonecznych, które są w stanie uzyskać sprawność energetyczną ponad 97,5% zgodnie z normami Kalifornijskiej Komisji Energetycznej (CEC).

Innowacyjne produkty GaN BDS w trybie D-mode charakteryzują się napięciem ciągłym 650 V, niską rezystancją włączenia oraz obudowami do montażu powierzchniowego typu top-side cooled ze zintegrowanymi krzemowymi MOSFET-ami. Dla projektantów sterowanie tymi układami jest tak proste, jak w przypadku standardowych MOSFET-ów krzemowych – wymaga jedynie typowych sterowników bramkowych i zwykłych rezystorów bramkowych. Stanowi to znaczący kontrast w porównaniu z urządzeniami GaN w trybie E-mode, które wymagają dodatkowych komponentów, co zwiększa przestrzeń na płytce, a także wiąże się z wyższymi kosztami materiałów katalogowych i stratami mocy.

Układy GaN BDS wykazują się wysoką szybkością przełączania przy zachowaniu czystych przebiegów i wysokiej sprawności, która w mikrofalownikach solarnych sięga 97,5%. Spełniają wymagania JEDEC oraz dodatkowe normy niezawodnościowe specyficzne dla GaN, w tym testy polaryzacji AC i DC, co gwarantuje solidność w zastosowaniach przemysłowych i motoryzacyjnych.

Źródło: Davide Bisi, Revolutionize Power Design with GaN Bidirectional Switches, Renesas

Zapraszamy na nasze nowe wydarzenie, Hardware Forum 2026, 14-15 maja 2026. Zapisz się już dziś i skorzystaj z oferty early bird: