Ora che il mercato ha capito i benefici prestazionali del GaN e risolto i problemi di controllo degli HEMT GaN, è giunto il momento di dissipare le residue pre­occupazioni dei progettisti legate a prezzi, disponibili­tà e affidabilità.

Fra gli esempi che dimostrano come i dispositivi di potenza al nitru­ro di gallio (GaN) consentano di realizzare trasformatori di potenza più compatti ed efficienti spiccano i caricatori per bici elettriche che, se realizzati con il GaN, offrono una riduzione delle dimensioni nell’ordine del 75% e possono quindi essere portati comodamente nello zaino, così come i caricatori USB-PD per laptop, grandi circa un terzo rispetto agli equivalenti basati su silicio. Oppure pensiamo ai trasformatori c.c./c.c. per datacenter: dimensioni dimezzate ri­spetto ai modelli al silicio ed efficienza molto superiore.

Il GaN offre vantaggi applicativi per molte ragioni, quali l’assenza di correnti di recu­pero inverse che favorisce architetture più semplici. Altri vantaggi sono: la capacità del GaN di operare a una frequenza supe­riore al silicio, consentendo quindi l’uti­lizzo di passivi più piccoli; la sua on-resi­stance specifica notevolmente più bassa, che rende il dispositivo GaN molto più compatto; e la cifra di merito (Ron x Qg) 10 volte maggiore che si traduce in efficienze molto più elevate ad elevate frequenze.

Di conseguenza, assisteremo a una con­tinua proliferazione di dispositivi GaN in tutti i settori applicativi, dal largo consu­mo all’industria, dall’industria automobi­listica alle energie rinnovabili. In parole semplici, il GaN può essere adottato in qualsiasi sistema di conversione di poten­za per aumentare le prestazioni, ridurre le dimensioni, aumentare l’efficienza e ab­bassare i costi.

GaN: il caso esemplare

Il mercato del GaN è ormai in forte cre­scita, avendo dissipato gran parte delle preoccupazioni iniziali. Eppure, qualcuno nutre ancora dubbi che frenano l’adozione di massa del GaN, in particolare su prez­zi e disponibilità in grandi volumi, oltre alle preoccupazioni per le “seconde fonti”, cioè fornitori alternativi.

Il mercato degli smartphone è l’esempio più eclatante. Con vendite che superano il miliardo di pezzi all’anno, le aziende pro­duttrici sono estremamente interessate a introdurre il GaN nei loro apparecchi. Per raggiungere questo obiettivo ambito, devono verificarsi quattro condizioni. In­nanzitutto, ci deve essere un chiaro van­taggio applicativo. Inoltre, il dispositivo GaN deve replicare le caratteristiche di bassissima dispersione del gate del silicio. I dispositivi devono poi essere disponibili in grandissimi volumi, non solo per soste­nere le vendite annue di un miliardo di smartphone, ma per crescere velocemen­te e tenere il passo di 6-9 mesi nella fre­quenza di lancio di nuovi modelli. Infine, i dispositivi GaN devono avere prezzi com­petitivi.

Un vantaggio evidente e determinante giunge dal primo GaN bidirezionale com­mercializzato, Innoscience VgaN™. Per bloccare la corrente in entrambe le dire­zioni, l’unità di protezione contro le so­vratensioni in un sistema di gestione della batteria richiede due MOSFET al silicio accoppiati (back-to-back); questi possono essere sostituiti da un unico HEMT VgaN (Figura 1), ottenendo una soluzione che è il 50% più piccola e al tempo stesso più efficiente.

Figura 1 – Due MOSFET Si accoppiati possono essere sostituiti da un VgaN.

Una delle innovazioni di Innoscience ri­guarda il problema della specifica per la corrente di dispersione del gate. Di fatto, l’ossido sotto il gate di un tipico dispositi­vo al silicio blocca le dispersioni del gate. Tuttavia, questo strato di ossido è assen­te nel GaN e il gate può essere modellato come un’architettura a due diodi accop­piati (Figura 2).

Figura 2 – L’ottimizzazione ha ridotto la caratteristica di dispersione a meno di 3μA.

Innoscience ha ottimizzato l’epitassia, l’ar­chitettura del dispositivo e la lavorazione, ottenendo una riduzione di quasi dieci volte della caratteristica di dispersione, inferiore a 3µA a 85 °C per l’intero ciclo di vita del dispositivo, valore accettabile per i produttori di smartphone e che garantisce l’idoneità dei transistor HEMT VGaN per la commutazione del carico all’interno de­gli apparecchi.

Questa innovazione implica che i princi­pali fornitori di GaN debbano essere pro­duttori di dispositivi integrati (IDM), per­ché le aziende senza fabbriche non hanno la capacità di ottimizzare l’epitassia, l’ar­chitettura e la lavorazione assieme.

Se analizziamo prezzi e disponibilità, è subi­to evidente perché il GaN non è ancora riu­scito ad affermarsi nel mercato degli smar­tphone, nonostante la crescente richiesta da parte di clienti e produttori. Supponia­mo una penetrazione del 10% nel merca­to da un miliardo di telefoni venduti nel 2022. Questo significherebbe 100 milioni di dispositivi GaN all’anno. Questo volume richiederebbe circa 3 000 wafer da 8 polli­ci o 5 400 wafer da 6 pollici ogni mese. La capacità produttiva mondiale di GaN (senza considerare Innoscience) è attualmente di 16 000 wafer da 6 pollici al mese (pari a cir­ca 9 000 wafer da 8 pollici), secondo i dati della società di studi di mercato Yole Group. Pertanto, quest’unica applicazione assorbi­rebbe il 33% della capacità mondiale!

Le cose cambiano con l’arrivo sul merca­to di Innoscience, che attualmente è il più grande IDM focalizzato al 100% sul GaN. Inoltre, utilizzando wafer da 8 pollici, l’a­zienda può fornire GaN a costi contenuti in volumi estremamente elevati (rispetto al wafer da 6 pollici, con il wafer da 8 pol­lici si possono ottenere 1,8 volte più dispo­sitivi). Entro il 2025, Innoscience produrrà 70 000 wafer da 8 pollici al mese, superan­do la capacità complessiva di tutti gli altri produttori.

Il tema dell’affidabilità

L’affidabilità è tutto: multinazionali come Oppo non utilizzerebbero mai il GaN nei loro telefoni se avessero dubbi sulla sua af­fidabilità.

I test secondo le norme JEDEC e i test di invecchiamento accelerato mostrano che i tassi di guasto dei dispositivi Innoscien­ce pari a 10 ppm (parti per milione) per la modalità di accelerazione del gate supera­no i 20 anni, mentre per la modalità di ac­celerazione del drain il valore è superiore ai 10 000 anni.

Figura 3 – I testi di invecchiamento accelerato dimostrano l’affidabilità del VGaN in bassa tensione.

Un altro fattore è la robustezza in valanga, una caratteristica vitale dei dispositivi di potenza MOS al silicio, tipicamente misu­rata con un test UIS (Interruttore Indutti­vo Sbloccato).

Accendendo il dispositivo di test, l’indut­tore viene caricato in modo lineare. Al raggiungimento della corrente di drain richiesta, lo spegnimento del dispositivo di test fa sì che l’induttore dissipi l’energia immagazzinata, portandosi in una tensio­ne di rottura.

La capacità di valanga del dispositivo di test permette la dissipazione della corren­te dell’induttore e, quindi, limita qualsiasi ulteriore aumento di tensione. Il dispositi­vo di test resta in rottura fino alla comple­ta dissipazione dell’energia.

I risultati di questo test UIS possono esse­re tradotti in “tempo in valanga” ed “ener­gia in valanga” che il dispositivo è in grado di sopportare. Se il dispositivo di potenza non ha una capacità di valanga sufficiente, dovrà avere una tensione di rottura molto più alta per scaricare completamente l’e­nergia dell’induttore.

Questo è esattamente il caso dei dispositi­vi InnoGaN, dove il tasso di commutazio­ne induttiva viene ottenuto con un coeffi­ciente BVdss elevato. I dispositivi GaN in bassa tensione di Innoscience offrono una tensione di rottura più che doppia rispetto al valore nominale del dispositivo, assicu­rando l’assorbimento di picchi di tensione in sicurezza e il superamento di questi test critici.

Il mercato dei datacenter

Naturalmente il mercato del GaN va ben oltre i dispositivi mobili smart. Prendiamo ad esempio i datacenter, un mercato enor­me e in crescita con una grande “fame” di potenza. In questo ambito, l’efficienza è la prima priorità, perché ogni 0,1% di in­cremento dell’efficienza si traduce in un notevole risparmio di costi. Anche le di­mensioni sono cruciali, perché sistemi di conversione di potenza più compatti libe­rano spazio per le unità di calcolo; infine, l’ampia disponibilità di prodotti e i prezzi bassi restano essenziali.

Partendo da c.a./c.c., la figura 4 illustra le fasi di trasformazione di potenza all’inter­no di un datacenter. Un normale progetto PFC e LLC sul lato primario utilizza tipica­mente dispositivi a 650 V, mentre sul lato in bassa tensione si trovano molti compo­nenti da 100 V e 30 V avvicinandosi ai di­spositivi del punto di carico.

Si può arrivare facilmente a circa 80 tran­sistor di potenza in bassa tensione per ogni implementazione, che devono essere tutti forniti in grandi quantità e al giusto prezzo.

Figura 4 – Esiste una forte domanda di GaN per i datacenter ad alto consumo energetic

Utilizzando quattro HEMT GaN IN­N100W032A da 3,2 mΩ e 100 V di Inno­science in un progetto LLC full-bridge da 600 W, si ottiene un trasformatore che non solo misura un quarto rispetto all’e­quivalente soluzione al silicio, ma che è anche lo 0,6% più efficiente, con un ri­sparmio di quasi il 10% in termini di con­sumi energetici e, quindi, una riduzione di costi e di emissioni di CO2.

Soluzione integrata

Ulteriori riduzioni delle dimensioni sono possibili utilizzando una soluzione inte­grata. La figura 5 illustra un intero cir­cuito half-bridge. Il dispositivo SolidGaN ISG3201 appena introdotto da Innoscien­ce integra due HEMT GaN in configura­zione half-bridge, driver e condensatore bootstrap in un unico package LGA che misura solo 5 x 6,5 x 1,1 mm, riducendo quindi l’ingombro di un ulteriore 20%.

Inoltre, poiché le connessioni fra gli elementi dei circuiti sono embedded nel package, la soluzione integrata offre prestazioni ancora superiori. Se conside­riamo lo stesso trasformatore c.c./c.c. da 600 W 48/12 V nella stessa applicazione datacenter, l’uso di ISG3201 aumenta la densità di potenza, raggiungendo 1 000 W
in un modulo di pari dimensioni con un’efficienza elevata del 98,26%.

Ora i progettisti possono scegliere fra una soluzione discreta (ad esempio IN­N100W032A), che offre maggiore fles­sibilità, e una soluzione integrata (ad esempio ISG3201), più facile da montare e usare.

Figura 5 – Le soluzioni SolidGaN integrate offrono benefici in termini di dimensioni, prestazioni e facilità d’uso.

Ci stiamo rivolgendo anche al settore dell’alta tensione con i transitori HEMT InnoGan da 650 V che vanno da 30 mΩ RDS (on) a 2.2 Ω. Anche qui, i progettisti potrebbero nutrire preoccupazioni per guasti in valanga dovuti ad alti picchi di tensione. Ma, come detto in precedenza, se da un lato i dispositivi GaN (a differen­za del silicio) non hanno un coefficiente di valanga, dall’altro evitano guasti in valan­ga grazie a una tensione di rottura molto superiore rispetto alla tensione nominale specificata. Le schede tecniche per questi dispositivi da 650 V indicano che i picchi transitori di tensione massima da drenag­gio a sorgente che questi dispositivi pos­sono sopportare per impulsi non ripetitivi sotto 200 µs sono di 800 V, ampiamente al di sopra del valore nominale massimo. In caso di impulsi ripetuti con una durata inferiore a 100 ns, la tensione transitoria massima che i componenti possono regge­re è 750 V sia a temperatura ambiente sia a 125 °C, quindi ancora ben oltre il valore no­minale di 650 V. I dati di questi test con­fermano un’elevata affidabilità di utilizzo.

Doppia fonte di approvvigionamento

I clienti sono molto preoccupati di dover fare affidamento su un unico fornitore. Stanno però emergendo molteplici fonti di approvvigionamento per i componenti GaN. Ad esempio, i dispositivi da 650/700 V di Innoscience in package DFN DFN 8×8 o 5×6 package sono compatibili pin-to-pin con i componenti di altri fornitori con co­efficienti e specifiche simili.

In conclusione, non esistono più ostacoli all’adozione del GaN nel mercato di mas­sa dei semiconduttori di potenza. I dubbi su disponibilità in grandi volumi, prezzo, compatibilità fra i produttori, affidabilità alle alte e basse tensioni ed effetti valanga appartengono ormai al passato. In breve, il futuro appartiene al GaN.

Dr. Denis Marcon General Manager, Innoscience Europe