Dwukierunkowy GaN w systemach zasilania

Oczywiście inżynierowie przyzwyczaili się do tego, że tranzystor MOSFET może przewodzić tylko w jednym kierunku, gdyż pasożytnicza dioda podłożowa połączona antyrównolegle z drenem i źródłem "psuje" komutację w drugą stronę, nie pozwalając zablokować przepływu. Umiemy sobie z tym problemem poradzić, co nie znaczy, że stał się on nieistotny.

Dwukierunkowy przełącznik mocy lub inaczej mówiąc, tranzystor MOSFET, pozwalający na sterowanie przepływem prądu w obu kierunkach, czyli włączanie i wyłączanie za pomocą sygnału sterującego, jest dzisiaj coraz bardziej pożądany przez rynek. To dlatego, że coraz częściej konwertery energii i zasilacze współpracują z akumulatorami będącymi magazynami energii i nie tylko zapewniają ich ładowanie, ale też są w stanie energię z ogniw oddać z powrotem do sieci. Takie działanie nazywamy konwersją dwukierunkową i jest ona cechą znamienną wielu aplikacji kojarzonych z elektromobilnością. Docelowo każdy większy magazyn energii ma mieć ładowarkę, która będzie w stanie płynnie zamienić się w falownik i przekazać energię do sieci.

Na początku dwukierunkową konwersję realizowano za pomocą przekaźników elektromagnetycznych, które przełączały w odpowiednich momentach wejścia i wyjścia. Potem i do dzisiaj używa się 2 tranzystorów połączonych źródłami, dzięki czemu diody pasożytnicze są skierowane do siebie przeciwnie, nigdy nie przewodzą, a więc przestają przeszkadzać w komutacji. To rozwiązanie działa, ale kosztem komplikacji układowej i dużo gorszych parametrów, bo na drodze przepływu prądu mamy dwa tranzystory połączone szeregowo. W efekcie wiele typów aplikacji nie jest budowanych z uwagi na koszty lub funkcjonalność.

W tym kontekście zapowiedź firmy Navitas Semiconductor, że już niedługo wprowadzi na rynek dwukierunkowe tranzystory mocy GaN, może być dużą zmianą warunków na lepsze.

Zastąpienie dwóch tranzystorów i sterownika do nich w przełączniku dwukierunkowym przez rozwiązanie zintegrowane ma dać 3-krotną oszczędność miejsca. Uzyskanie tych samych parametrów to natomiast zysk jeden versus cztery tranzystory (dwie gałęzie połączone równolegle z dwoma elementami szeregowo). Oczywiście nie chodzi o scalenie w jednej obudowie dwóch tranzystorów połączonych szeregowo, bo nie dałoby to zysku na RDS(ON). Nikt nie podaje szczegółów z uwagi na planowaną ochronę patentową, ale z ogólnych komentarzy wynika, że jakoś ta dioda pasożytnicza zostanie zablokowana.

Navitas zapewnia, że dwukierunkowy GaN pojawi się w sprzedaży w 2025 roku. Jednak w wyścigu o dwukierunkowość nie jest sam – wielu gigantów nad tym też pracuje (Infi neon, TI), są nawet startupy takie jak Transphorm, które działają w ramach projektów rozwojowych DARPA/ARPA-E funduszy programu CIRCUITS.

Dwukierunkowy GaN otworzy drzwi na rynek dla mikroinwerterów, w które zamienią się ładowarki akumulatorów lub cyklokonwerterów współpracujących z prądnico-silnikami. Będzie to ogromny krok naprzód w tym, jak postrzegamy i wykorzystujemy systemy zasilania.

Robert Magdziak