Renesas rozwija strategię GaN, wprowadzając na rynek tranzystory polowe Gen IV Plus FET

Renesas wprowadził w ostatnim czasie na rynek trzy nowe tranzystory polowe GaN o napięciu 650 V — TP65H030G4PRS, TP65H030G4PWS i TP65H030G4PQS — oparte na zubożonej architekturze SuperGaN (d-mode), opracowanej przez firmę Transphorm. Są to układy czwartej generacji (Gen IV Plus) charakteryzujące się mniejszym rozmiarem rdzenia i rezystancją RDS(on) na poziomie 30 mΩ, zapewniające dzięki temu lepsze wskaźniki dobroci (FOM), mniejsze straty przełączania i zwiększoną sprawność. Układy te, dostępne w obudowach TOLT, TO-247 i TOLL, zostały zaprojektowane z myślą o skalowalnym zarządzaniu temperaturą i stosowaniu w systemach o mocy od 1 do 10 kW. Dzięki kompatybilnemu z krzemem układowi sterowania bramką i zoptymalizowanym formatom, układy te zapewniają wysoką wydajność energetyczną w szerokiej gamie zastosowań końcowych.

- GaN stał się centralnym elementem planu rozwoju technologii zasilania Renesas – powiedział Primit Parikh, wiceprezes działu GaN w Renesas, w wywiadzie dla Power Electronics News, zauważając, że firma skupia się nie tyle na pojedynczych urządzeniach GaN, co na podejściu systemowym. - W połączeniu z kontrolerami, sterownikami i inteligentnymi stopniami mocy, układy scalone GaN Plus tworzą kompleksowy ekosystem.

Tryb d i tryb e

Renesas jest liderem w dziedzinie GaN operującego w trybie d w obszarze wysokich napięć. Zasadniczo, GaN działa w trybie zubożenia, co oznacza, że kanał może przewodzić bez konieczności polaryzacji bramki. Wykorzystanie GaN w trybie wzbogaconym (trybie e) jest skomplikowane i wymaga zmian, takich jak usunięcie ładunku, dodanie warstw GaN typu p oraz trawienie, co może obniżyć jego wydajność. Rezultatem jest kompromis w zakresie takich parametrów, jak nasycenie prądowe (current saturation, I_dsat) i stabilność termiczna. W szczególności prowadzi to do kluczowych wad:

• Zmniejszone I_dsat: wraz ze wzrostem temperatury, tryb e zazwyczaj charakteryzuje się ~50% spadkiem I_dsat. Chociaż trwają prace nad ulepszeniami, obecnie pozostaje to fundamentalnym ograniczeniem.
• Dynamiczna stabilność R_ds(on): urządzenia w trybie d z natury charakteryzują się lepszą kontrolą rezystancji dynamicznej, szczególnie po obciążeniu wysokonapięciowym.
• g_m: Transkonduktancja (stosunek zmiany prądu wyjściowego do zmiany prądu wejściowego) urządzeń w trybie d jest znacznie wyższa niż w trybie e.

Sterowalność i użyteczność: rozwiązania w trybie d wykorzystują prosty sterownik bramki krzemowej. Ta hybrydowa struktura umożliwia stosowanie napięcia progowego do 4 V, których GaN w trybie e nie jest obecnie w stanie zaoferować (typowe progi trybu e wynoszą ~1,5–1,7 V). Nie ma też potrzeby sterowania napięciem ujemnym, które często jest wymagane w trybie e, zapewniona jest również kompatybilność ze standardowymi krzemowymi sterownikami bramek, co upraszcza proces integracji dla klientów.

Według Renesas, jedną z kluczowych zalet GaN w trybie d, jest elastyczność sterowania. Dzięki krzemowemu interfejsowi bramek, tranzystory mocy FET GaN mogą być sterowane za pomocą standardowych, dostępnych na rynku sterowników, a napięcia progowe można dostosować do potrzeb klienta.

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech podejścia Renesas jest konfigurowalna architektura sterowania bramką. Podczas gdy większość urządzeń GaN w trybie e działa z ograniczonymi wahaniami napięcia bramki (często zaledwie 6–8 V), tranzystory polowe Renesas tolerują napięcia do ±18 V. Zapewnia to przewagę odporności na zakłócenia rzędu 8–10 V w porównaniu z tradycyjnymi konstrukcjami i umożliwia kompatybilność ze standardowymi krzemowymi sterownikami bramek. Ta elastyczność pozwala Renesasowi oferować GaN w tradycyjnych obudowach zasilających, takich jak TO-247 i TO-220 – formatach, których dostawcy GaN w trybie e zazwyczaj unikają ze względu na ryzyko przeciążenia bramki. Otwiera to drogę do zastosowania GaN w środowiskach o wyższej mocy i wysokich wymaganiach termicznych, takich jak silniki przemysłowe, falowniki solarne i infrastruktura pojazdów elektrycznych (rysunek 1).

Żródło: Renesas

Platforma Gen IV Plus: wydajność, gęstość i skalowalność

Renesas tworzy szeroką gamę produktów komplementarnych, takich jak stopnie mocy i moduły System-in-Package (SiP), które łączą GaN, sterownik, kontroler i obwody zabezpieczające, tworząc kompletne i spójne ekosystemy. Firma opracowuje kontrolery i sterowniki zoptymalizowane specjalnie pod kątem GaN. W porównaniu z poprzednią generacją, Gen IV Plus oferuje:

• 14% redukcję rozmiaru układu
• Do 50% poprawę R_ds(on) × Q_g (wskaźnik dobroci)
• 20% poprawę wydajności pojemności wyjściowej (Q_oss)

Te udoskonalenia, w połączeniu z wysoką odpornością na zakłócenia (wytrzymałość bramki ±18 V) i łatwą integracją krzemu, dają Renesas pewność, że plan rozwoju Gen IV Plus stanowi atrakcyjną alternatywę na rynku. Udoskonalenia dotyczą wszystkich wariantów układów, niezależnie od tego, czy wykorzystują one elementy 30 mΩ, 50 mΩ czy 150 mΩ. Wskaźnik dobroci przełączania (Q_oss × C_oss) również poprawił się o około 20%, co stanowi podstawę zwiększonej wydajności i efektywności tych urządzeń. Wzrost wydajności wynika z przemyślanej konstrukcji chipów, optymalizacji procesów i bogatego doświadczenia praktycznego, co gwarantuje, że nowa rodzina jest nie tylko teoretycznie lepsza, ale także sprawdzona w rzeczywistych warunkach.

Wbrew powszechnemu przekonaniu, że węglik krzemu jest lepszy przy niższych częstotliwościach przełączania, Renesas podkreśla, że urządzenia GaN są teoretycznie lepsze w całym spektrum częstotliwości ze względu na swoją lepszą mobilność i charakterystykę pola elektrycznego. Praktyczne testy przy umiarkowanych częstotliwościach (około 100 kHz) pokazują, że urządzenia GaN osiągają o 10-30% niższe straty w porównaniu z tranzystorami MOSFET SiC i JFET, co potwierdza potencjał GaN wykraczający poza zastosowania wysokoczęstotliwościowe (Rysunek 2).

Żródło: Renesas

Aspekty produkcyjne

Renesas przechodzi obecnie z płytek 6-calowych na 8-calowe. Ten krok stanowi znaczący postęp zarówno w skalowaniu kosztów, jak i dojrzałości produkcji. GaN różni się jednak od krzemu pod kilkoma istotnymi względami. Wraz ze wzrostem średnicy płytek i grubości warstwy GaN (co jest niezbędne w przypadku urządzeń pracujących przy wyższych napięciach), płytki mają tendencję do wyginania się, co powoduje problemy z wydajnością i stabilnością mechaniczną, szczególnie w przypadku płytek o średnicy 8 cali lub większych.

Renesas prowadzi procesy epitaksji GaN w trzech zakładach: w Kalifornii, Japonii i na Tajwanie. Produkcja płytek odbywa się obecnie w Japonii, a w przyszłości planowane jest jej zwiększenie w Minnesocie (Polar Semiconductor) i innych fabrykach. Plan rozwoju obejmuje przejście na płytki 12-calowe, ale Renesas podkreśla, że prawdopodobnie ich wprowadzanie rozpocznie się to od niskonapięciowych urządzeń GaN, które wykorzystują cieńsze warstwy epitaksjalne. 

Żródło: opracowano na podstawie Renesas Elevates GaN Strategy with Gen IV Plus FET Launch, Autor: Maurizio Di Paolo Emilio, powerelectronicsnews.com

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!