Che cos'è un alimentatore AC che utilizza GaN (nitruro di gallio)

Questa è una pagina che spiega gli adattatori AC e gli alimentatori switching dotati di IC GaN (nitruro di gallio), considerati semiconduttori di nuova generazione. È adottato negli adattatori USB-PD sviluppati da UNIFIVE.

Che cos'è l'adattatore AC con GaN, il semiconduttore di nuova generazione

Che cos'è il GaN?

Recentemente nei negozi di elettronica si vedono spesso adattatori USB AC con GaN PD. Il "GaN" si riferisce al nitruro di gallio, un materiale di nuova generazione molto promettente che sta portando cambiamenti rivoluzionari nel campo dell'elettronica di potenza. Per decenni, i MOSFET a base di silicio (transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore) hanno svolto il ruolo di conversione dell'energia in potenza elettrica, diventando indispensabili nella vita quotidiana moderna. Tuttavia, il miglioramento dei tradizionali MOSFET in silicio e l'aumento dell'efficienza energetica hanno limiti teorici e la tecnologia attuale si sta avvicinando a un livello in cui ulteriori miglioramenti sono difficili.

Inoltre, negli ultimi anni sono aumentate le richieste di maggiore densità ed efficienza energetica e, con l'introduzione di varie normative ambientali volte a ridurre l'inquinamento, soprattutto nei paesi sviluppati, il silicio presenta difficoltà nell'adattarsi a queste nuove esigenze ambientali. Al contrario, il nitruro di gallio possiede caratteristiche in grado di soddisfare la crescente domanda di maggiore efficienza, prestazioni e densità di potenza nei sistemi elettrici, e si sta diffondendo come tecnologia chiave di commutazione di potenza di nuova generazione in alternativa al silicio.

Che cos'è il nitruro di gallio?

Il nitruro di gallio non esiste come elemento in natura. Viene generalmente ottenuto come sottoprodotto durante la raffinazione dell'alluminio dalla bauxite o nella produzione di zinco dalla blenda, con emissioni di CO2 molto ridotte durante l'estrazione e la raffinazione. Ogni anno vengono prodotte oltre 300 tonnellate di gallio e le riserve mondiali sono stimate in oltre 1 milione di tonnellate. Essendo un sottoprodotto della lavorazione, il costo è relativamente basso, circa 300 dollari al kg, ovvero circa 1/200 rispetto all'oro che costa circa 60.000 dollari al kg.

Oltre ai vantaggi ambientali, è un semiconduttore binario III-V a transizione diretta, adatto per transistor ad alta potenza capaci di funzionare correttamente anche ad alte temperature.

Storia del GaN

Il gallio puro ha un punto di fusione di soli 30°C e può sciogliersi nel palmo della mano alla temperatura corporea. Per ottenere per la prima volta il nitruro di gallio sintetico furono necessari circa 65 anni, e fino agli anni 60 non fu possibile far crescere film monocristallini di GaN. Il GaN come composto ha un punto di fusione superiore a 1.600°C, circa 200°C in più rispetto al silicio.

Nel 1972 nacque un LED a base di GaN drogato con magnesio, un evento rivoluzionario. Sebbene inizialmente non fosse abbastanza luminoso per uso commerciale, fu il primo LED capace di emettere luce blu-violacea.

Dagli anni 90, il nitruro di gallio è stato ampiamente utilizzato nei diodi a emissione luminosa (LED). Emette luce blu utilizzata per la lettura dei dischi Blu-ray. È inoltre impiegato in dispositivi di potenza a semiconduttore, componenti RF, laser e fotonica. In futuro si prevede il suo utilizzo anche nel campo delle tecnologie di sensori.

Nel 2006 è iniziata la produzione di transistor GaN in modalità enhancement (detti anche GaN FET), realizzati facendo crescere un sottile strato di GaN su uno strato di AIN su wafer standard di silicio tramite MOCVD. Lo strato di AIN funge da buffer tra il substrato e il GaN. Questo metodo consente di produrre transistor al nitruro di gallio negli stessi impianti e con processi simili a quelli del silicio, permettendo costi ridotti e facilitando l'introduzione di transistor più piccoli e ad alte prestazioni. Tutti i materiali semiconduttori possiedono un cosiddetto bandgap, ovvero l'intervallo energetico in cui non possono esistere stati elettronici in un solido. In termini semplici, il bandgap indica quanto un materiale possa condurre elettricità. Il silicio ha un bandgap di 1,12 eV, mentre il nitruro di gallio ha un bandgap di 3,4 eV. Un bandgap più ampio significa che il GaN può sopportare tensioni e temperature più elevate rispetto ai MOSFET in silicio.

Grazie a questo ampio bandgap, il nitruro di gallio consente applicazioni in dispositivi optoelettronici ad alta potenza e alta frequenza. Può funzionare a temperature e tensioni molto più elevate rispetto ai transistor in arseniuro di gallio (GaAs), rendendolo ideale anche come amplificatore di potenza per dispositivi a microonde e terahertz (THz) utilizzati nell'imaging e nel sensing.

Vantaggi del GaN

Quali sono i vantaggi dell'adozione del GaN negli adattatori AC, materiale che ha reso possibili applicazioni in dispositivi optoelettronici ad alta potenza e frequenza? Di seguito ne spieghiamo i principali benefici.

Il GaN viene spesso confrontato con il silicio, attualmente standard nei MOSFET utilizzati come interruttori di potenza in applicazioni che vanno da poche decine di watt fino a centinaia o migliaia di watt, come alimentatori AC/DC, DC/DC e dispositivi di controllo motori. Parametri come packaging, resistenza RDS(on), tensione nominale e velocità di commutazione sono stati continuamente migliorati.

Tuttavia, grazie ai notevoli progressi tecnologici, le prestazioni dei semiconduttori in silicio si stanno avvicinando ai limiti teorici. I dispositivi di potenza basati su GaN, invece, sono transistor ad alta mobilità elettronica con campo elettrico critico superiore rispetto al silicio. Questa elevata mobilità implica maggiore intensità di campo elettrico e, a parità di resistenza on e tensione di breakdown, dimensioni più compatte rispetto ai dispositivi in silicio.

I GaN FET offrono velocità di commutazione estremamente elevate e ottime caratteristiche di recupero inverso, fondamentali per basse perdite e alta efficienza. Attualmente sono ampiamente disponibili sul mercato dispositivi GaN FET con tensioni nominali di 600/650V.

I principali vantaggi nell'utilizzo negli adattatori AC sono i seguenti 3 punti.

Riduzione del calore

Grazie all'ampio bandgap, il GaN presenta una conducibilità termica superiore rispetto al silicio. Ciò consente un funzionamento a temperature più elevate e un raffreddamento più efficiente, mantenendo l'adattatore AC a temperature più basse e proteggendolo dai danni causati dal calore.

Miniaturizzazione grazie all'alta densità di potenza

Le frequenze di commutazione e le temperature operative più elevate rispetto ai componenti in silicio permettono di ridurre i dissipatori di calore, eliminare ventole di raffreddamento e diminuire i componenti magnetici. Frequenze di commutazione più alte consentono anche di ridurre le dimensioni di induttori e condensatori nei circuiti di alimentazione, diminuendo il numero di componenti interni e quindi le dimensioni complessive dell'adattatore AC.

Riduzione del rumore acustico e trasmissione di potenza wireless

Frequenze più elevate riducono il rumore acustico nelle applicazioni con motori. Inoltre, consentono trasmissione di potenza wireless a maggiore output, aumentando la libertà spaziale e la distanza tra trasmettitore e ricevitore. Questa tecnologia è attualmente oggetto di ricerca anche per la ricarica dei veicoli elettrici.

Adattatore AC con GaN sviluppato da UNIFIVE

Contenuti correlati