Cos'è un adattatore AC che utilizza GaN (gallio nitruro)

Questa è una pagina che spiega l'adattatore CA e l'alimentatore switching dotati di IC GaN (nitruro di gallio), noti come semiconduttori di nuova generazione. È adottato nell'adattatore USB-PD sviluppato da Unifive.

Cos'è un adattatore AC di nuova generazione con GaN

Che cos'è il GaN?

Negli ultimi tempi si vedono sempre più spesso nei negozi gli adattatori USB AC dotati di GaN PD. Il "GaN" sta per nitruro di gallio, un materiale di nuova generazione molto promettente che sta apportando cambiamenti rivoluzionari nel campo dell'elettronica di potenza. Per decenni, i MOSFET a base di silicio hanno svolto un ruolo fondamentale nella conversione dell'energia in elettricità e hanno costituito un elemento indispensabile nella vita quotidiana moderna. Tuttavia, esistono limiti teorici nel miglioramento dell’efficienza e delle prestazioni dei comuni MOSFET in silicio, e la tecnologia attuale sta raggiungendo un livello che lascia ben poco margine di miglioramento.

Inoltre, con la crescente richiesta di maggiore densità e efficienza energetica e l’introduzione di normative ambientali principalmente nei paesi sviluppati per contrastare l’inquinamento, il silicio si dimostra un materiale non del tutto adatto a questo orientamento orientato alla sostenibilità ambientale. Al contrario, il nitruro di gallio è un materiale che presenta caratteristiche in grado di rispondere alla crescente domanda di efficienza, prestazioni e densità di potenza nei sistemi elettrici, e si sta rapidamente affermando come tecnologia di commutazione di potenza di nuova generazione in grado di sostituire il silicio.

Cos'è il nitruro di gallio?

Il nitruro di gallio non esiste in natura come elemento. Viene normalmente ottenuto come sottoprodotto durante la produzione di alluminio dalla bauxite o di zinco dallo sfalerite, il che si traduce in una produzione che comporta una quantità molto ridotta di emissioni di CO₂. Ogni anno vengono prodotti oltre 300 tonnellate di gallio, e si stima che le riserve mondiali superino il milione di tonnellate. Essendo un sottoprodotto della lavorazione, il costo è relativamente basso, circa 300 dollari al kg, ovvero un duecentesimo rispetto all’oro, che costa circa 60.000 dollari al kg.

Oltre ai vantaggi ambientali, è un semiconduttore binario diretto di tipo III/V con ottime proprietà per transistor ad alta potenza che funzionano correttamente anche ad alte temperature.

Storia del GaN

Il punto di fusione del gallio puro è di soli 30 °C, tanto che a temperatura corporea può sciogliersi nel palmo della mano. Ci vollero altri 65 anni prima che il nitruro di gallio venisse sintetizzato per la prima volta, e solo dagli anni '60 si riuscì a far crescere pellicole a singolo cristallo. Il composto GaN ha un punto di fusione superiore a 1.600 °C, ovvero 200 °C più alto rispetto al silicio.

Nel 1972 nacque il primo LED a base di GaN drogato con magnesio. Nonostante inizialmente non avesse una luminosità sufficiente per scopi commerciali, fu il primo LED in grado di emettere luce blu-viola, rappresentando un notevole traguardo.

Dagli anni '90, il nitruro di gallio è stato ampiamente impiegato nei LED. Emette luce blu usata, ad esempio, per la lettura dei dischi Blu-ray. Inoltre, è utilizzato in dispositivi di potenza, componenti RF, laser e fotonica, e si prevede anche un’applicazione futura nei sensori.

Nel 2006, grazie alla tecnica MOCVD (crescita epitassiale da fase vapore da metallo-organici), fu avviata la produzione di transistor GaN a modalità di arricchimento, noti anche come GaN FET, su wafer di silicio con uno strato di AIN come buffer tra il substrato e il GaN. Questa tecnica permise di produrre transistor al GaN nelle stesse fabbriche esistenti per il silicio, usando processi produttivi simili. L’uso di processi noti ha permesso una produzione a basso costo, facilitando l’introduzione di transistor compatti ad alte prestazioni. Tutti i materiali semiconduttori presentano un intervallo di energia proibito detto band gap, che determina la capacità di conduzione del materiale. Il silicio ha un band gap di 1,12 eV, mentre il nitruro di gallio ha un band gap più ampio pari a 3,4 eV. Questo significa che può sopportare tensioni e temperature più elevate rispetto ai MOSFET in silicio.

Questa ampiezza del band gap rende il nitruro di gallio adatto all’uso in dispositivi optoelettronici ad alta potenza e frequenza. GaN offre prestazioni superiori rispetto ai transistor al GaAs (arseniuro di gallio), ed è ideale come amplificatore di potenza nei dispositivi a microonde e terahertz impiegati in imaging e sensing.

I vantaggi del GaN

Quali vantaggi offre l’adozione del GaN, materiale utilizzato nei dispositivi optoelettronici ad alta potenza e frequenza, negli adattatori AC? Di seguito vengono illustrati i benefici dell’utilizzo del GaN negli adattatori AC.

In generale, il GaN è spesso confrontato con i materiali al silicio. I MOSFET basati sul silicio, attualmente lo standard, vengono utilizzati in un’ampia varietà di campi applicativi di potenza, dai pochi decine fino a migliaia di watt, come alimentatori AC/DC, DC/DC e dispositivi di controllo motori. Questi dispositivi sono stati costantemente migliorati in termini di confezionamento, resistenza RDS, tensione nominale e velocità di commutazione.

Tuttavia, le prestazioni dei semiconduttori al silicio si stanno avvicinando ai propri limiti teorici nonostante i numerosi avanzamenti tecnologici, rendendo difficile un ulteriore miglioramento. Al contrario, i dispositivi di potenza a base di nitruro di gallio sono transistor a elevata mobilità elettronica con un’elevata intensità di campo critico rispetto al silicio. Questa alta mobilità elettronica implica una maggiore intensità del campo elettrico, e a parità di resistenza e tensione di breakdown, i dispositivi al GaN possono essere più compatti rispetto ai semiconduttori al silicio.

I GaN FET offrono velocità di commutazione estremamente rapide e un'eccellente caratteristica di recupero inverso, fondamentali per prestazioni a bassa perdita e alta efficienza. Attualmente, sono ampiamente disponibili sul mercato dispositivi GaN FET con tensioni nominali di 600/650 V.

Tra i principali vantaggi dell’utilizzo negli adattatori AC si possono elencare i seguenti tre punti.

Effetto sulla dissipazione del calore

Grazie al suo ampio band gap, il GaN presenta una maggiore conduttività termica rispetto al silicio. Questa caratteristica consente ai dispositivi di funzionare a temperature più elevate con un raffreddamento più efficiente, mantenendo l’adattatore AC a una temperatura più bassa e proteggendolo dai danni termici.

Miniaturizzazione grazie all'alta densità di potenza

Le frequenze di commutazione e le temperature operative più elevate rispetto ai componenti al silicio consentono di ridurre la dimensione dei dissipatori o di eliminare le ventole per il raffreddamento, nonché di ridurre i componenti magnetici. Una maggiore frequenza di commutazione dei componenti in GaN consente inoltre di ridurre la dimensione degli induttori e dei condensatori nei circuiti di alimentazione. La riduzione del numero di componenti elettronici all’interno dell’adattatore AC permette la miniaturizzazione del dispositivo stesso.

Riduzione del rumore acustico e realizzazione della trasmissione di potenza wireless

All'aumentare della frequenza, si riduce il rumore acustico nelle applicazioni con motori. Inoltre, la trasmissione di potenza wireless ad alta frequenza consente l’erogazione di maggiore potenza, una maggiore libertà di disposizione nello spazio e l’aumento della distanza (air gap) tra trasmettitore e ricevitore. Attualmente, sono in corso ricerche per applicare questa tecnologia alla ricarica dei veicoli elettrici.

Adattatore AC con GaN sviluppato da Unifive

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