Cos'è un adattatore AC con GaN (gallio nitrato)

Questa è una pagina che spiega l'adattatore AC e l'alimentatore switching dotati di IC GaN (nitruro di gallio), noto come semiconduttore di nuova generazione. È utilizzato 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, è diventato comune vedere adattatori USB AC con supporto GaN PD nei negozi di elettronica. Il termine "GaN" si riferisce al nitruro di gallio, un materiale di prossima generazione molto promettente che sta rivoluzionando il settore dell'elettronica di potenza. Per decenni, i MOSFET (transistor ad effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo) a base di silicio hanno svolto un ruolo fondamentale nella conversione dell'energia in elettricità, diventando parte integrante della vita moderna. Tuttavia, i miglioramenti in termini di efficienza energetica per i MOSFET in silicio stanno raggiungendo i loro limiti teorici, rendendo sempre più difficile ottenere ulteriori progressi con la tecnologia attuale.

Inoltre, la crescente richiesta di efficienza energetica e densità di potenza, unita alle recenti tendenze normative ambientali guidate dai paesi sviluppati, ha messo in difficoltà il silicio, che presenta caratteristiche meno adatte a queste esigenze. Al contrario, il nitruro di gallio è un materiale in grado di rispondere a queste richieste, grazie alle sue qualità che favoriscono efficienza, prestazioni e maggiore densità di potenza nei sistemi elettrici. Per questo motivo, il GaN si sta diffondendo come tecnologia di commutazione di potenza di nuova generazione in sostituzione del silicio.

Cos'è il nitruro di gallio?

Il nitruro di gallio non esiste naturalmente come elemento. Si ottiene come sottoprodotto durante la raffinazione dell'alluminio dalla bauxite o dello zinco dallo sfalerite, con un'emissione di CO2 molto ridotta durante l'estrazione e la raffinazione. Ogni anno vengono prodotti oltre 300 tonnellate di gallio, e si stima che ci siano oltre un milione di tonnellate di riserve nel mondo. Poiché è un sottoprodotto della lavorazione, il suo costo è relativamente basso, circa 300 dollari al chilogrammo, ovvero 1/200 del costo dell'oro che è di circa 60.000 dollari al chilogrammo.

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

Storia del GaN

Il gallio puro ha un punto di fusione di appena 30°C, tanto da fondere nel palmo di una mano alla temperatura corporea. Ci vollero altri 65 anni prima che il nitruro di gallio venisse sintetizzato per la prima volta. Inoltre, fino agli anni '60 non fu possibile crescere film monocristallini di GaN. Il composto GaN ha un punto di fusione superiore ai 1600°C, circa 200°C più alto di quello del silicio.

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

Dagli anni '90, il GaN è stato ampiamente utilizzato nei LED. Emana luce blu, usata per leggere i dischi Blu-ray. Inoltre, il GaN viene impiegato in dispositivi di potenza a semiconduttore, componenti RF, laser e fotonica. Si prevede anche il suo utilizzo futuro nei sensori.

Nel 2006 iniziò la produzione di transistor GaN in modalità enhancement (noto anche come GaN FET), utilizzando la tecnologia MOCVD per crescere un film sottile di GaN su uno strato di AIN su wafer di silicio standard. Lo strato di AIN funge da buffer tra il substrato e il GaN. Questo processo ha permesso di produrre transistor GaN negli stessi impianti dei dispositivi in silicio, con quasi le stesse tecniche di produzione esistenti. L'uso di tecniche familiari ha ridotto i costi di produzione e abbassato le barriere all'introduzione di transistor miniaturizzati ad alta prestazione. Per entrare nei dettagli, tutti i materiali semiconduttori possiedono un intervallo energetico detto band gap. È l'intervallo nel quale non possono esistere stati elettronici. In parole semplici, il band gap determina quanto bene un materiale conduce elettricità. Il silicio ha un band gap di 1,12 eV, mentre il nitruro di gallio ha un band gap di 3,4 eV. Un band gap più ampio significa che il dispositivo può resistere a tensioni e temperature più elevate rispetto ai MOSFET in silicio.

Grazie al suo ampio band gap, il GaN è adatto ad applicazioni in dispositivi optoelettronici ad alta potenza e alta frequenza. Può operare a temperature e tensioni molto superiori rispetto ai transistor in arseniuro di gallio (GaAs), ed è quindi considerato ideale anche per amplificatori di potenza in dispositivi microonde e terahertz impiegati in imaging e rilevamento.

I vantaggi del GaN

L'utilizzo del GaN, materiale adatto a dispositivi optoelettronici ad alta potenza e alta frequenza, negli adattatori AC porta molti benefici. Vediamo i vantaggi dell'applicazione del GaN negli adattatori AC.

Il GaN viene spesso confrontato con i materiali a base di silicio. I MOSFET a base di silicio, attualmente standard, sono ampiamente utilizzati negli alimentatori AC/DC, DC/DC e nei dispositivi di controllo dei motori, coprendo una vasta gamma di potenze da decine a migliaia di watt, con miglioramenti continui in confezionamento, resistenza RDS, tensione nominale e velocità di commutazione.

Tuttavia, le prestazioni dei semiconduttori in silicio stanno raggiungendo i loro limiti teorici nonostante i progressi tecnologici, e ulteriori miglioramenti sono diventati difficili. Al contrario, i dispositivi di potenza basati su GaN utilizzano transistor ad alta mobilità elettronica con forza di campo critica più elevata rispetto al silicio. Questa elevata mobilità indica che il GaN ha una maggiore forza di campo elettrico rispetto al silicio e, a parità di resistenza e tensione di rottura, i dispositivi GaN possono essere realizzati in formato più compatto.

I GaN FET offrono una velocità di commutazione molto elevata e caratteristiche di recupero inverso eccellenti — essenziali per prestazioni a bassa perdita e alta efficienza. Attualmente, i GaN FET con tensione nominale di 600/650V sono ampiamente disponibili sul mercato.

I principali vantaggi dell'uso del GaN negli adattatori AC sono i seguenti.

Effetto sulla dissipazione del calore

Il materiale GaN ha una ampia band gap, che comporta una maggiore conduttività termica rispetto al silicio. Questa proprietà consente il funzionamento a temperature più elevate e un raffreddamento più efficiente, mantenendo l'adattatore AC a bassa temperatura e prevenendo danni dovuti al calore.

Miniaturizzazione grazie all'elevata densità di potenza

Poiché la frequenza di commutazione e la temperatura di funzionamento sono superiori a quelle dei componenti in silicio, è possibile ridurre le dimensioni dei dissipatori di calore, eliminare le ventole di raffreddamento e ridurre gli elementi magnetici. Una maggiore frequenza di commutazione consente inoltre di miniaturizzare induttori e condensatori nei circuiti di alimentazione. La riduzione del numero di componenti elettronici negli adattatori AC permette di ridurne le dimensioni complessive.

Riduzione del rumore acustico e realizzazione della trasmissione di potenza wireless

Maggiore è la frequenza, minore è il rumore acustico in applicazioni con motori. Inoltre, frequenze elevate consentono una trasmissione di potenza wireless a uscita più elevata, maggiore flessibilità spaziale e distanze maggiori tra trasmettitore e ricevitore. Attualmente, questa tecnologia è oggetto di ricerca anche per l'alimentazione dei veicoli elettrici.

Adattatore AC con GaN sviluppato da Unifive

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