Progressi recenti nei dispositivi di potenza GaN verticali

Una potenziale area di applicazione per i dispositivi di potenza GaN verticali sono i sistemi di trasmissione per i veicoli elettrici (EV drivetrain) che sono già stati determinanti per l’adozione dei dispositivi in carburo di silicio (SiC).

Di recente sono stati compiuti notevoli progressi nell’evoluzione dei dispositivi elettronici di potenza basati su semiconduttori a larga banda proibita o Wide-BandGap (WBG), guidati principalmente dalle loro frequenze di commutazione più elevate rispetto ai dispositivi in silicio e dalla loro conseguente capacità di aumentare la densità di potenza e l’efficienza dei convertitori di potenza in modalità switching.

La maggior parte dei dispositivi di alimentazione WBG disponibili in commercio si basano su carburo di silicio (SiC) o nitruro di gallio (GaN). Nonostante il successo ottenuto fino ad oggi per le applicazioni a bassa tensione (fino a circa 650 V), il più maturo dispositivo basato su GaN, il transistor ad alta mobilità degli elettroni (HEMT), non è adatto per le applicazioni in media tensione (fino a 20 kV), comprese la trasmissione dei veicoli elettrici e molte applicazioni di rete.

Ciò è dovuto a diversi fattori, tra cui la necessità di scalare la tensione estendendo lateralmente il dispositivo, aumentando così l’area del chip. A differenza degli HEMT GaN, i dispositivi GaN verticali cresciuti su substrati GaN nativi non soffrono di tali limitazioni, perché la tensione viene ridotta attraverso uno strato di deriva spesso e a basso drogaggio, simile al caso dei dispositivi di potenza discreti realizzati con Si e SiC.

Di conseguenza, i dispositivi GaN verticali hanno un potenziale significativo per applicazioni a media tensione. Tuttavia, esistono problemi di materiali per il GaN verticale, come la qualità dei substrati GaN nativi, nonché la crescita epitassiale di strati di deriva spessi decine di micron o la capacità di formare interfacce di alta qualità con i dielettrici di gate. Tali sfide devono essere superate prima che i dispositivi GaN verticali possano realizzare il loro potenziale per le applicazioni in media tensione.

Dispositivi di potenza GaN

Una potenziale area di applicazione per i dispositivi di potenza GaN verticali sono i sistemi di trasmissione dei veicoli elettrici. La rapida accelerazione dell’elettrificazione della trasmissione del veicolo è già diventata un fattore determinante per l’adozione diffusa di dispositivi di potenza SiC come i transistor a effetto di campo (MOSFET) e i diodi Junction-Barrier-Schottky (JBS) a ossido di metallo-semiconduttore. Ciò è dovuto alla loro capacità di aumentare l’efficienza e ridurre il volume dell’inverter elettronico di potenza che lega la batteria del veicolo al/i motore/i elettrico/i.

Tuttavia, gli inverter basati su GaN possono offrire vantaggi aggiuntivi. In effetti, le simulazioni a livello di sistema, basate su algoritmi genetici, del compromesso tra densità di potenza ed efficienza dell’inverter di trasmissione indicano che i dispositivi di potenza GaN verticali offrono soluzioni superiori a quelle ottenibili con SiC. Tali simulazioni sono coerenti con una tensione bus CC di 800 V o superiore.Gli HEMT di potenza GaN disponibili in commercio non sono quindi adatti per un tradizionale inverter a due livelli, che è preferito dai progettisti di sistemi automobilistici per la sua semplicità e affidabilità associata, a causa dei loro limiti di tensione come discusso sopra. Pertanto, sono necessari dispositivi di alimentazione GaN verticali con tensioni nominali di 1,2 kV o superiori.

Figura 1: (sinistra) immagine al microscopio di un dispositivo GaN verticale, (centro) corrente di Drain in funzione della tensione  Drain-to-Source per  differenti valori della tensione di rete, (destra) transconduttanza

Un’altra potenziale area di applicazione per i dispositivi GaN verticali è la rete elettrica. In particolare, a causa della loro rapida risposta al breakdown a valanga, i diodi GaN PN verticali promettono la protezione della rete elettrica contro i transitori di tensione veloci indotti dagli impulsi elettromagnetici (EMP).

Per approfondire si può consultare l’articolo originale al link: https://www.powerelectronicsnews.com/recent-progress-in-vertical-gan-power-devices/

Redazione Fare Elettronica