Che cos'è un adattatore CA con GaN (nitruro di gallio)

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

Cos'è un adattatore AC con semiconduttore di nuova generazione GaN

Cos'è il GaN?

Negli ultimi tempi si vedono spesso nei negozi di elettronica gli adattatori AC USB con tecnologia GaN PD. Il "GaN" sta per nitruro di gallio, un materiale avanzato di nuova generazione che sta rivoluzionando il settore dell'elettronica di potenza. Per decenni, i MOSFET a base di silicio (transistor a effetto di campo ad ossido di metallo) hanno svolto un ruolo cruciale nella conversione dell'energia in elettricità, diventando indispensabili nella vita quotidiana. Tuttavia, i miglioramenti in termini di efficienza e prestazioni dei MOSFET al silicio hanno raggiunto i propri limiti teorici con le attuali tecnologie.

Inoltre, con l'aumento della domanda di maggiore densità ed efficienza energetica e l'introduzione di regolamenti ambientali, specialmente nei Paesi avanzati, il silicio si dimostra un materiale poco adatto. Al contrario, il nitruro di gallio offre caratteristiche in grado di soddisfare queste esigenze, conquistandosi un ruolo centrale come tecnologia di commutazione di potenza di nuova generazione alternativa al silicio.

Cos'è il nitruro di gallio?

Il nitruro di gallio non si trova in natura come elemento puro. Viene solitamente ottenuto come sottoprodotto durante la raffinazione dell'alluminio dalla bauxite o della produzione di zinco dallo sfalerite, il che riduce significativamente le emissioni di CO₂ durante le fasi di estrazione e raffinazione. Ogni anno vengono prodotti più di 300 tonnellate di gallio, con riserve globali stimate oltre un milione di tonnellate. Essendo un sottoprodotto, ha un costo relativamente basso, circa 300 dollari al kg, ovvero 1/200 rispetto al costo dell'oro che si aggira sui 60.000 dollari al kg.

Oltre ai benefici ambientali, il GaN è un semiconduttore diretto composto da elementi del gruppo III/V, adatto a transistor di potenza che operano correttamente anche ad alte temperature.

Storia del GaN

Il gallio puro ha un punto di fusione di soli 30°C e si scioglie al contatto con il calore della mano. Ci vollero altri 65 anni per sintetizzare per la prima volta il nitruro di gallio, e solo negli anni '60 fu possibile far crescere film monocristallini di GaN. Il composto GaN ha un punto di fusione superiore ai 1.600°C, ben 200°C in più rispetto al silicio.

Nel 1972 nacque il primo LED a base di GaN drogato al magnesio, capace di emettere luce blu-viola, sebbene inizialmente poco luminoso per uso commerciale. Dopo gli anni '90, il GaN si diffuse ampiamente nei LED, che generano la luce blu utilizzata nei lettori Blu-ray. Il nitruro di gallio si impiega anche in dispositivi a semiconduttore di potenza, componenti RF, laser e fotonica. Si prevede un futuro impiego anche nei sensori.

Nel 2006, grazie alla tecnica di crescita OMVPE (MOCVD), fu sviluppata la produzione di transistor GaN in modalità di enhancement (noti anche come GaN FET) su wafer di silicio ricoperti da uno strato di AIN che funge da buffer tra substrato e GaN. Questo permette la produzione dei transistor GaN usando gli stessi impianti e processi impiegati per il silicio, riducendo i costi e semplificando l'introduzione di transistor compatti e ad alte prestazioni. Ogni materiale semiconduttore possiede un "band gap", ovvero un intervallo di energia in cui gli elettroni non possono esistere; in parole semplici, indica quanto bene un materiale può condurre elettricità. Il silicio ha un band gap di 1,12 eV, mentre il GaN 3,4 eV, il che significa che il GaN può resistere a tensioni e temperature ben più alte.

Grazie a questo ampio band gap, il GaN può essere usato nei dispositivi ad alta potenza e alta frequenza dell'optoelettronica. Rispetto ai transistor al GaAs (arseniuro di gallio), funziona a temperature e tensioni molto più elevate, il che lo rende ideale come amplificatore di potenza per dispositivi a microonde come quelli per imaging e sensori, nonché per dispositivi terahertz (ThZ).

I vantaggi del GaN

Quali sono i benefici dell'utilizzo del materiale GaN, adatto ai dispositivi ad alta frequenza e potenza dell'optoelettronica, negli adattatori AC? Di seguito spieghiamo i vantaggi dell'adozione del GaN negli adattatori AC.

Il GaN viene spesso confrontato con i materiali al silicio. I MOSFET a base di silicio, oggi standard nel settore, sono usati in una vasta gamma di applicazioni di alimentazione, dai pochi decine di watt fino a diverse centinaia o migliaia. Le caratteristiche come packaging, resistenza di conduzione RDS, tensione nominale e velocità di commutazione sono state costantemente migliorate.

Tuttavia, le prestazioni dei semiconduttori a base di silicio stanno raggiungendo i limiti teorici, rendendo difficili ulteriori miglioramenti. Al contrario, i dispositivi di potenza a base di GaN sono transistor HEMT con elevata mobilità elettronica e una forza del campo elettrico superiore. Questa elevata mobilità elettronica consente al GaN di operare a maggiore intensità di campo elettrico rispetto al silicio; con pari RDS e tensione di breakdown, i dispositivi GaN possono essere più compatti rispetto ai semiconduttori al silicio.

I GaN FET offrono velocità di commutazione molto elevate e un'eccellente reverse recovery, elementi essenziali per prestazioni efficienti e a bassa perdita. Attualmente, sono ampiamente disponibili GaN FET con tensioni nominali di 600/650V.

I principali vantaggi dell’uso del GaN negli adattatori AC si suddividono in tre punti.

Effetto sulla generazione di calore

Il materiale GaN ha un ampio band gap, il che comporta una maggiore conduttività termica rispetto al silicio. Questo consente ai dispositivi a GaN di funzionare a temperature più elevate e di raffreddarsi in modo più efficiente, mantenendo basso il calore dell’adattatore AC e riducendo i danni da surriscaldamento.

Miniaturizzazione grazie all'alta densità di potenza

Poiché GaN supporta frequenze di commutazione e temperature operative più elevate rispetto al silicio, consente la riduzione delle dimensioni dei dissipatori di calore, l’eliminazione delle ventole per il raffreddamento e la riduzione dei componenti magnetici. Frequenze di commutazione più elevate consentono anche la miniaturizzazione di induttori e condensatori nei circuiti di alimentazione. Questo porta a una riduzione dei componenti elettronici interni, permettendo un corpo più compatto per l’adattatore AC.

Riduzione del rumore acustico e trasmissione di potenza wireless

Frequenze più alte riducono il rumore acustico negli applicativi a motore. Inoltre, l’elevata frequenza consente la trasmissione di potenza wireless ad alta potenza, aumentando la libertà posizionale e allargando il gap d’aria tra trasmettitore e ricevitore. Questa tecnologia è oggi oggetto di ricerca anche per l’alimentazione dei veicoli elettrici.

Adattatore AC con GaN sviluppato da Unifive

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