Che cos'è un adattatore CA che utilizza il GaN (nitruro di gallio)?

Unifive, produttore di alimentatori, spiega che cos'e un alimentatore AC basato sul GaN (nitruro di gallio). Illustriamo le differenze rispetto al silicio, i motivi per cui consente dimensioni ridotte e un'elevata efficienza, gli aspetti importanti della progettazione, i risultati ottenuti dalla nostra azienda nella miniaturizzazione degli alimentatori AC con semiconduttori di potenza di nuova generazione e alcuni esempi di alimentatori personalizzati.

Che cos'è un adattatore CA che utilizza il GaN (nitruro di gallio)

Un adattatore CA che utilizza il GaN (nitruro di gallio) è un adattatore che impiega il GaN al posto del silicio (Si) negli elementi di commutazione (semiconduttori di potenza) che attivano e disattivano l'alimentazione elettrica.

I componenti in GaN presentano minori perdite di potenza rispetto a quelli in silicio e possono commutare a frequenze più elevate. Ciò consente di ridurre le dimensioni dei trasformatori e dei condensatori all'interno dell'adattatore CA. Di conseguenza, a parità di potenza erogata, è possibile rendere l'adattatore CA più piccolo e leggero.

La miniaturizzazione degli alimentatori rappresenta un grande vantaggio per i produttori di apparecchiature. Riducendo le dimensioni dell'alimentatore, è possibile progettare anche dispositivi più compatti. La miniaturizzazione dell'alimentatore contribuisce inoltre a ridurre il costo complessivo dell'apparecchiatura.

Differenze tra GaN e silicio (Si)

Il GaN è un semiconduttore con una banda proibita più ampia rispetto al silicio. I materiali con una banda proibita ampia possono resistere a tensioni e temperature elevate. La tabella seguente confronta il silicio e il GaN come materiali per semiconduttori di potenza.

I transistor che utilizzano il GaN (GaN FET) offrono una velocità di commutazione molto elevata ed eccellenti caratteristiche di recupero inverso. Attualmente, i GaN FET con tensioni nominali di 600 V e 650 V sono disponibili in molti mercati. Il funzionamento degli alimentatori switching è illustrato in Che cos'è un alimentatore switching.

Che tipo di materiale è il GaN (nitruro di gallio)?

Il nitruro di gallio (GaN) è un semiconduttore composto formato dall'unione di gallio (Ga) e azoto (N). Il GaN è un semiconduttore binario III/V a transizione diretta. Il GaN è un materiale adatto ai transistor ad alta potenza che funzionano correttamente anche a temperature elevate.

Il GaN viene utilizzato nei diodi a emissione luminosa (LED), nei laser, nella fotonica, nei componenti RF e nei dispositivi di potenza a semiconduttore. Il GaN può funzionare a temperature e tensioni più elevate rispetto ai transistor all'arseniuro di gallio (GaAs). Per questo motivo, il GaN è considerato adatto anche agli amplificatori di potenza per dispositivi a microonde e dispositivi a terahertz (THz) utilizzati nell'imaging e nel rilevamento.

Differenze tra gallio e nitruro di gallio

Il gallio è un elemento metallico. Il punto di fusione del gallio puro è di circa 30°C. Per questo motivo, il gallio può sciogliersi persino sul palmo della mano. Il nitruro di gallio (GaN) è un composto formato da gallio e azoto. Le proprietà del nitruro di gallio sono molto diverse da quelle del gallio. Il nitruro di gallio non si scioglie a basse temperature come il gallio.

In natura, il gallio non è presente allo stato di metallo elementare. Si ottiene come sottoprodotto durante la raffinazione dell'alluminio dalla bauxite o la produzione dello zinco dalla sfalerite. Il nitruro di gallio viene prodotto a partire da questo gallio e dall'azoto.

Storia del GaN

La storia del GaN inizia con la scoperta del gallio. La tabella seguente riassume i principali eventi relativi al GaN.

Lo strato di AlN funge da strato tampone tra il substrato di silicio e il GaN. Grazie a questo processo, i transistor GaN possono essere prodotti negli stessi stabilimenti esistenti utilizzati per il silicio e con processi produttivi pressoché identici. La riduzione dei costi di produzione ha facilitato l'adozione di transistor compatti e ad alte prestazioni.

Perché l'uso del GaN consente di ridurre le dimensioni degli adattatori CA

L'uso del GaN consente di ridurre le dimensioni degli adattatori CA perché i dispositivi in GaN presentano perdite ridotte e possono funzionare a frequenze elevate.

Negli adattatori CA tradizionali, i MOSFET al silicio (transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore) sono stati ampiamente utilizzati come dispositivi di commutazione. Grazie a molti anni di miglioramenti, le prestazioni dei MOSFET al silicio si sono avvicinate ai loro limiti teorici. Per questo motivo, il GaN si sta diffondendo come dispositivo di commutazione alternativo al silicio.

I dispositivi di potenza in GaN sono transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT). Il GaN è un materiale con un campo elettrico di rottura superiore a quello del silicio. Pertanto, a parità di resistenza nello stato di conduzione e di tensione di tenuta, i dispositivi in GaN sono più piccoli di quelli in silicio. Inoltre, grazie all'elevata mobilità elettronica e alle dimensioni ridotte, i dispositivi in GaN possono effettuare commutazioni ad alta velocità. I tre principali vantaggi per gli adattatori CA sono i seguenti.

Perdite ridotte e minore generazione di calore

I FET GaN hanno una velocità di commutazione molto elevata e ottime caratteristiche di recupero inverso. Di conseguenza, le perdite di potenza che si verificano durante la commutazione sono ridotte. Minori perdite significano anche una minore quantità di energia trasformata in calore all'interno dell'adattatore CA. Ciò consente di limitare l'aumento della temperatura dell'adattatore CA e di proteggere i componenti dai danni causati dal calore. Inoltre, grazie all'ampio band gap, il GaN può resistere a temperature più elevate rispetto al silicio.

Funzionamento ad alta frequenza e riduzione delle dimensioni di trasformatori e condensatori

I dispositivi GaN possono commutare a frequenze più elevate rispetto ai dispositivi al silicio. Maggiore è la frequenza di commutazione, minori possono essere le dimensioni di trasformatori, induttori e condensatori utilizzati nei circuiti di alimentazione. Inoltre, grazie alla minore generazione di calore, è possibile ridurre le dimensioni dei dissipatori di calore o eliminare le ventole di raffreddamento. La riduzione delle dimensioni di questi componenti consente di rendere più compatto l'involucro dell'adattatore CA. È inoltre possibile erogare una potenza maggiore con un involucro delle stesse dimensioni (maggiore densità di potenza).

Riducendo le dimensioni dell'alimentatore, è possibile ridurre anche quelle del dispositivo

La riduzione delle dimensioni dell'alimentatore offre una maggiore libertà nella progettazione dei dispositivi che lo utilizzano. Nei dispositivi con alimentatore integrato, è possibile progettare un corpo principale più compatto. Nei dispositivi che utilizzano un adattatore AC, è più facile collocare l'adattatore in spazi di installazione limitati. Inoltre, quando viene collegato a una multipresa AC, interferisce meno con le prese adiacenti. La miniaturizzazione dell'alimentatore contribuisce anche a ridurre il costo complessivo del dispositivo.

Un esempio della nostra esperienza riguarda la proposta di una serie basata su semiconduttori di potenza di nuova generazione, che ha risolto i problemi legati allo spazio di installazione e alle interferenze. Per maggiori informazioni, consultare Esempio di soluzione semicustom miniaturizzata con una serie di semiconduttori di potenza di nuova generazione.

Aspetti importanti nella progettazione di alimentatori basati su GaN

L'efficienza, la generazione di calore e la durata degli adattatori AC basati su GaN non dipendono esclusivamente dal materiale semiconduttore. Variano in funzione della progettazione del circuito, della configurazione dei componenti e della dissipazione del calore.

I dispositivi GaN operano con commutazioni ad alta velocità. Per questo motivo, negli alimentatori basati su GaN sono fondamentali le misure contro le interferenze elettromagnetiche (EMI), adeguate alla commutazione ad alta velocità, e la progettazione del circuito di pilotaggio del gate che aziona i dispositivi. Per sfruttare appieno le prestazioni dei dispositivi GaN, è necessaria la capacità di progettare l'intero alimentatore.

Nella nostra azienda, un reparto di progettazione specializzato in alimentatori si occupa in modo integrato di circuiti, trasformatori, involucri, compatibilità elettromagnetica (EMC) e norme di sicurezza. Inoltre, il GaN non è l'unica soluzione per la miniaturizzazione. Disponiamo anche di casi di produzione in serie di adattatori AC miniaturizzati con dispositivi al silicio grazie all'ottimizzazione dei circuiti (Caso di produzione in serie di un adattatore AC da 65 W). Proponiamo la soluzione ottimale in base alle specifiche del dispositivo e ai costi.

Se è necessario un alimentatore adatto al dispositivo, possiamo progettarlo come alimentatore personalizzato. Le tipologie e le fasi della personalizzazione sono illustrate in Che cos'è la personalizzazione degli alimentatori?

I nostri adattatori CA con semiconduttori di potenza di nuova generazione

Offriamo una gamma standard di adattatori CA compatti con semiconduttori di potenza di nuova generazione, da 10 W a 450 W. I nostri adattatori CA con semiconduttori di potenza di nuova generazione coniugano alta efficienza e dimensioni compatte. Effettuiamo verifiche approfondite per garantire un'elevata affidabilità anche con la miniaturizzazione.

Gamma per potenza di uscita

È possibile scegliere la serie in base alla potenza di uscita necessaria.

10W/12W/15W/18W/24W/45W/65W/100W/160W/200W/450W

Tutte le serie sono disponibili nell'elenco degli adattatori CA compatti con semiconduttori di potenza di nuova generazione. Per gli adattatori CA compatibili con USB PD, consultare la pagina Adattatori CA USB PD.

Risultati ottenuti nella miniaturizzazione

La tabella seguente mostra alcuni esempi di riduzione delle dimensioni e del peso dei nostri alimentatori AC con semiconduttori di potenza di nuova generazione. Il prodotto utilizzato per il confronto varia a seconda del Prodotti.

Confronto delle dimensioni tra il nostro alimentatore AC da 200 W (davanti) e il nostro prodotto precedente (dietro)

Se i prodotti standard non sono adatti, offriamo alimentatori personalizzati

Se i prodotti standard non soddisfano i requisiti relativi a potenza di uscita, forma, cavi, etichette o standard di sicurezza, possiamo fornire alimentatori personalizzati. Le nostre soluzioni comprendono la personalizzazione parziale, che modifica solo gli elementi necessari partendo da un prodotto standard, e la personalizzazione completa, che prevede una progettazione interamente nuova da zero.

Anche per gli adattatori AC che utilizzano semiconduttori di potenza di nuova generazione, possiamo adattare alle apparecchiature del cliente la tensione di uscita, la forma del connettore, le specifiche dei cavi, le funzioni di protezione e monitoraggio e l'ottimizzazione EMC. Siamo inoltre disponibili per consulenze sulla prototipazione e sulla valutazione. Anche se la potenza di uscita o la forma richiesta non rientra nella gamma dei prodotti standard, contattateci per illustrarci le vostre specifiche. Alcuni esempi di soluzioni personalizzate sono disponibili nella pagina Soluzioni personalizzate.

Domande frequenti sugli adattatori AC con GaN

Il GaN (nitruro di gallio) fonde a circa 30°C?

No. È il gallio metallico a fondere a circa 30°C. Il GaN è un composto formato da gallio e azoto. A differenza del gallio, il GaN non fonde a basse temperature. Grazie alla sua capacità di resistere a tensioni e temperature elevate, il GaN viene utilizzato nei dispositivi di potenza.

Quali potenze sono disponibili per gli adattatori AC che utilizzano semiconduttori di potenza di nuova generazione?

Offriamo Prodotti standard con potenze da 10 W a 450 W. Le serie suddivise per potenza sono disponibili nell'elenco degli adattatori AC compatti con semiconduttori di potenza di nuova generazione.

Cosa devo fare se nessun prodotto standard offre la potenza o la forma desiderata?

Possiamo soddisfare le vostre esigenze con alimentatori personalizzati. Offriamo sia soluzioni semipersonalizzate basate su prodotti standard sia soluzioni completamente personalizzate, progettate da zero. Comunicateci la potenza, la forma, l'ambiente di utilizzo e le norme di sicurezza richiesti.

Richiedi informazioni sugli adattatori AC con semiconduttori di potenza di nuova generazione

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