ECSEL Research for GaN technologies, devices, packages and applications to address the challenges of the future GaN roadmap

For UltimateGaN prosjektet skal Eltek utvikle nye kost effektive omformere med høy virkningsgrad og svært høy pålitelighet. GaN transistorene som Ultimate Gan prosjektet utvikler skal brukes til å oppnå dette målet. Eltek skal utvikle følgende produkt som demonstrator ? IP65 likeretter for utendørs 5G telekom applikasjon. Denne likeretteren er ekstrem viktig for Telekom for de neste 5-10 årene på grunn av 5G utbyggingen som vil kreve svært mange mindre basestasjoner som vil være distribuert over større områder på grunn av dekning. Der er det fokus på det termiske designet som gjør at systemet kan bruke konveksjons kjøling uten ekstern kjøling. GaN transistoren passer meget bra til denne meget krevende applikasjonen for tapene er små og GaN transistor kapslingen egner seg svært bra til kjøling i en lukket IP65 boks. Protytypene som er testet viser svært god nytteverdi mellom kost og virkningsgrad som er i underkant av 98% peak. Påliteligheten virker ut fra tester til å være svært god. GaN transistorene er grunnen til lave tap, dvs høy virkningsgrad og svært god termisk ytelse med 2kW uteffekt med lavt AC spenning inn med +55degC omgivelse og med soll effekt på toppen av dette. Slik med ser ut nå er dette et produkt for framtiden og 5G utviklingen. Samtlige produkter vil bli ekstremt validert for å finne svakheter på GaN transistorer og produkt. Denne validering vil først bli utført internt med opptil flere hundre enheter for hvert produkt som blir testet til yttergrensene for å detektere mulige svakheter i design og GaN transistorer. Dette vil vise at europeisk industri kan lage svært gode halvleder komponenter som GaN transistoren og kraft elektronikk som vil være ledende på verdensbasis med hensyn på kost, virkningsgrad og pålitelighet. Siden virkningsgraden på produktene blir svært høy har dette en svært positiv innflytelse på redusert strømforbruk og bedre miljø. IP65 2kW/48V likeretter er nå demonstrator for UltimateGan prosjektet. Dette er et produkt for 5G applikasjon World Wide med ekstreme ytelser. 100stk av IP65 2kW/48V likeretteren er produsert og brukes til DVT( Design Verifikasjons Test). Det termiske designet er ekstremt krevende også for høy pålitlighet og her spiller GaN transistoren en nøkkel rolle. Enheten er testet for +55degC omgivelses temperatur og laveste inngangs spenning 185Vac med svært godt resultat. Her har vi minst 25degC temperatur margin på halvleder chipene som indikerer høy pålitelighet. Monteringsmetoden av GaN transistoren har blitt forsket med mange forskjellige løsninger og den valgte metoden er bekreftet med testing høy/lav temperatur, inngangs spenning og last til å være svært pålitelig. Dette er patentert. Gan tranistoren har også vist seg å vøre svært robust mhp surge spenninger og testing har vist 6kV differensiell spenning passerer uten problem. Detter vesentlig høyere enn hva standarden for surge krev som er 2kV. Dett er et av årsakene for høy felt pålitelighet. Peak virkningsgrad er 97,75% med forholdvis lav kost. EMC utstrålt og ledningsbåren klasse B bekreftet oppfylt med test av en likeretter og et system med 4 likerettere med kontroller og DC distribusjon. Alle validerings tester i henhold til IPC9592 rev B, HTOB, PTC og UTC er utført med godkjent resultat samt korrosjon test. Safety er også passert og godkjent. Nest steg er produksjon av 240x IP652kW/48Vdc likeretter for PVT( Produksjon Verifikasjons Test). Etter dette starter masseproduksjon for feltapplikasjon og her kommer Eltek til å overvåke pålitelighet i felt. Under dette arbeidet oppdaget Eltek etter ca 100x produserte likerettere at feilraten økte dramatisk i Burn-In fasen av produksjonen som kan skje når produktet går inn i masseproduksjon. Dette resulterte i en stor feilanalyse av alle mulige feilårsaker av alle driftstilfeller. Dette forsinket produktlanseringen mer enn 6mnd, men alle mulige feilårsaker ble analysert, testet og verifisert med korrektive aksjoner. Problemet lå i synkron likeretter delen på 48V utgangen som fikk mange oppdatering av HW og SW art. Den gode nyheten var at GaN transistorene i likeretteren fungerte som forventet. Lanseringen av IP65 likeretteren for 5G WW skjer i januar 2023.

The direct outcome of the project is a rectifier 2kW/48vdc for outdoor use for 5G application which will be lounched i January 2023. This product has due to the use of GaN transitor state of the art performance WW regarding density, relibility and cost.

The new concept of following a vertical approach to address research through the entire supply chain of technology, packaging, reliability and application will enable a significant improvement of efficiency that goes beyond the limits of silicon based semiconductors in combination with packages that fully utilize the shrink-path of power GaN devices and which are not ready as of today. The global state-of-the-art first generation GaN devices are mainly based on US and Asian suppliers. Only a cooperative project like UltimateGaN with European market leaders and world-class researchers can take on the challenges and bring Europe at the forefront in terms of GaN enabled opportunities. Eltek's tasks in the project: We will use GaN technologies for power converters in telecom applications with output power of 1kW and 3kW. The focus will be to use GaN transistor in the LLC DC/DC stage and in the output synchronous rectifier in the 1kW and 3kW telecom rectifiers. In particular, the GaN transistors in the LLC DC/DC stage will be investigated during the start-up sequence and short circuit sequence for failure mode situations.These tests involve the implementation and functional tests of GaN transistors with new drivers, printed circuit board (PCB) layouts, some planar magnetics and parasitic effects. • Drivers for 1kW/48Vdc design with cost reduction and switching frequency in the range of 500kHz to 1MHz. • Driver for the 3kW/48Vdc designwith efficiency above 98%. The goal is to achieve 98.5% efficiency, with field proven very high reliability. • Test and validate a volume production of converters. • Field trials of the power supply solution in real applications. A number of power conversion units will be installed in the field exposed to various environmental factors such as humidity and temperature for testing for longer term field reliability. • Failure Root Cause Analyses and corrective action for various parts of the GaN technology value chain.