O que é um adaptador AC que utiliza GaN (nitreto de gálio)

Esta é uma página que explica sobre adaptadores AC e fontes de alimentação com comutação que utilizam ICs de GaN (gálio nitreto), conhecidos como semicondutores de próxima geração. Está sendo utilizado em adaptadores USB-PD desenvolvidos pela Unifive.

O que é um adaptador AC com semicondutor de próxima geração, o GaN

O que é GaN?

Recentemente, adaptadores AC USB com PD e tecnologia GaN vêm se tornando comuns em lojas de varejo. “GaN” refere-se ao Nitreto de Gálio, um material de próxima geração que está gerando mudanças inovadoras no campo da eletrônica de potência. Durante décadas, os MOSFETs baseados em silício desempenharam um papel essencial na conversão de energia e tornaram-se indispensáveis na vida moderna. No entanto, os MOSFETs de silício enfrentam limites teóricos em melhorias de eficiência, e a tecnologia atual está próxima de atingir seu pico.

Nos últimos anos, com o aumento da demanda por densidade de potência e eficiência energética, têm sido introduzidas diversas regulamentações ambientais, impulsionadas principalmente por países desenvolvidos. O silício, nesse contexto, é um material com componentes que dificultam a adequação a essas exigências ambientais. Por outro lado, o GaN possui características que atendem a essas necessidades de eficiência, desempenho e densidade de potência, expandindo-se como tecnologia essencial para a próxima geração de comutação de potência.

Então, o que é Nitreto de Gálio?

O Nitreto de Gálio não existe naturalmente como um elemento. Ele é obtido como subproduto durante a produção de alumínio a partir de bauxita, ou na purificação de esfalerita para produção de zinco, o que minimiza significativamente as emissões de dióxido de carbono durante a extração e o refino. Mais de 300 toneladas de gálio são produzidas anualmente, e as reservas globais são estimadas em mais de 1 milhão de toneladas. Como é um subproduto de processos industriais, seu custo é relativamente baixo, cerca de 300 dólares por kg, o que representa 1/200 do preço do ouro.

Além dos benefícios ambientais, trata-se de um semicondutor do tipo III/V com transição direta, ideal para transistores de alta potência que funcionam corretamente mesmo em altas temperaturas.

História do GaN

O ponto de fusão do gálio puro é de apenas 30 °C, derretendo na palma da mão à temperatura corporal. Levaram-se cerca de 65 anos até que o Nitreto de Gálio fosse sintetizado pela primeira vez, e até a década de 1960 não era possível crescer camadas monocristalinas dessa substância. O ponto de fusão do composto GaN ultrapassa os 1.600 °C, cerca de 200 °C acima do silício.

Em 1972, foi criado um LED de GaN dopado com magnésio. Embora inicialmente não alcançasse brilho suficiente para uso comercial, foi o primeiro LED capaz de emitir luz azul-violeta.

Desde a década de 1990, o GaN passou a ser amplamente utilizado em LEDs. Ele emite luz azul usada na leitura de discos Blu-ray. Além disso, é empregado em dispositivos semicondutores de potência, componentes de RF, lasers e fotônica. Espera-se que no futuro seja aplicado também em sensores.

Em 2006, iniciou-se a produção de transistores GaN em modo de enriquecimento (também chamados de GaN FETs), com crescimento da camada fina de GaN sobre uma camada de AIN em wafers de silício por MOCVD (deposição química de vapor de metais orgânicos). A camada de AIN funciona como buffer entre o substrato e o GaN. Esse método possibilitou a fabricação de transistores de GaN com processos praticamente idênticos aos utilizados para o silício, utilizando instalações existentes, o que reduziu significativamente os custos e facilitou a introdução de transistores de alto desempenho e tamanho reduzido.

Todos os materiais semicondutores possuem uma faixa proibida (bandgap), que é a região de energia onde não existem estados eletrônicos. De modo simplificado, ela representa a quantidade de eletricidade que o material pode conduzir. O silício possui um bandgap de 1,12 eV, enquanto o GaN possui 3,4 eV. Essa maior faixa proibida permite que o GaN suporte tensões e temperaturas mais elevadas do que o MOSFET de silício.

Essa característica permite ao GaN ser aplicado em dispositivos optoeletrônicos de alta potência e alta frequência. Por ser capaz de operar em temperaturas e tensões muito maiores que os transistores de arseneto de gálio (GaAs), é ideal também como amplificador de potência em dispositivos de micro-ondas e terahertz (Thz), como sistemas de imagem e sensoriamento.

Vantagens do GaN

Quais são, então, os benefícios da aplicação do GaN em adaptadores AC, um material que possibilita dispositivos optoeletrônicos de alto rendimento? A seguir, explicamos as vantagens do uso do GaN em adaptadores AC.

Em geral, o GaN é frequentemente comparado ao silício. Os MOSFETs baseados em silício, atualmente padrão, são amplamente utilizados como chave de energia em aplicações de corrente contínua e alternada, controle de motores, etc., abrangendo potências de algumas dezenas a milhares de watts. Suas especificações como embalagem, resistência RDS, tensão nominal e velocidade de comutação têm melhorado continuamente.

No entanto, o desempenho dos semicondutores de silício está próximo de seus limites teóricos, tornando difícil obter melhorias adicionais. Por outro lado, os dispositivos de potência baseados em GaN são transistores com alta mobilidade eletrônica e maior intensidade de campo crítico que o silício. Isso significa que, mesmo com resistência e tensão idênticas, os dispositivos GaN podem ser fabricados em tamanhos menores que os de silício.

Os GaN FETs possuam velocidade de comutação extremamente alta e excelente desempenho de recuperação reversa, essenciais para operação com baixa perda e alta eficiência. Atualmente, FETs de GaN com tensão nominal de 600/650 V já estão disponíveis no mercado.

Os principais benefícios do uso do GaN em adaptadores AC são:

Controle de aquecimento

Com ampla faixa proibida, o GaN possui maior condutividade térmica que o silício. Essa característica permite que dispositivos feitos de GaN operem sob temperaturas mais altas com melhor dissipação térmica, protegendo o adaptador AC do aquecimento excessivo e danos térmicos.

Redução de tamanho com maior densidade de potência

Devido às maiores frequências de comutação e temperaturas de operação em comparação aos componentes de silício, é possível utilizar dissipadores menores, eliminar ventiladores ou reduzir o uso de elementos magnéticos. A alta frequência de comutação dos componentes GaN permite o uso de indutores e capacitores menores no circuito de alimentação, reduzindo o número de componentes internos do adaptador AC e, assim, possibilitando gabinetes mais compactos.

Redução de ruído acústico e viabilidade de transmissão de energia sem fio

Maior frequência leva à redução de ruídos acústicos em aplicações com motores. Ela também viabiliza transmissão de energia sem fio com maior potência, aumentando a liberdade espacial e permitindo maior separação entre transmissor e receptor. Atualmente, essa tecnologia também vem sendo estudada para carregamento de veículos elétricos.

Adaptadores AC com GaN desenvolvidos pela Unifive

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