O que é um adaptador AC com GaN (Nitreto de Gálio)

Esta é uma página que explica sobre adaptadores AC e fontes chaveadas equipadas com ICs de GaN (Nitreto de Gálio), conhecidos como semicondutores da próxima geração. Está sendo utilizado no adaptador USB-PD desenvolvido pela UNIFIVE.

O que é um adaptador AC com semicondutor da próxima geração GaN?

O que é GaN?

Adaptadores de corrente USB com PD GaN são frequentemente vistos em lojas de varejo atualmente. Esse "GaN" refere-se ao nitreto de gálio, um material de próxima geração que está revolucionando a área de eletrônica de potência. Durante décadas, os MOSFETs à base de silício desempenharam um papel essencial na conversão de energia e se tornaram indispensáveis na vida moderna. No entanto, os MOSFETs de silício têm limites teóricos para sua melhoria em eficiência energética, e a tecnologia atual está próxima desse limite.

Recentemente, a demanda por densidade de potência e eficiência energética aumentou, e na tendência atual de países desenvolvidos imporem regulamentações para conter a poluição ambiental, o silício tornou-se inadequado como material responsável com o meio ambiente. Em contraste, o nitreto de gálio possui características que respondem à demanda por maior eficiência, desempenho e densidade de potência nos sistemas elétricos, e está se tornando o principal candidato para substituir o silício nas tecnologias de comutação de energia de próxima geração.

Afinal, o que é o nitreto de gálio?

O nitreto de gálio não existe naturalmente como elemento. Geralmente é obtido como subproduto na produção de alumínio a partir da bauxita ou na produção de zinco a partir da esfalerita, o que resulta em uma emissão muito baixa de CO₂ no processo de extração e purificação. Mais de 300 toneladas de gálio são produzidas anualmente, e as reservas globais são estimadas em mais de 1 milhão de toneladas. Como é obtido como subproduto, seu preço é relativamente barato, cerca de 300 dólares por kg, o que representa 1/200 do preço do ouro (cerca de 60.000 dólares por kg).

Além dos benefícios ambientais, é um material semicondutor do grupo III/V de transição direta, tornando-o adequado para transistores de alta potência que funcionam corretamente até em altas temperaturas.

História do GaN

A temperatura de fusão do gálio puro é de apenas 30°C, podendo derreter na palma da mão à temperatura corporal. Foram necessários mais 65 anos após sua descoberta até que o nitreto de gálio fosse sintetizado pela primeira vez e, até os anos 1960, não era possível crescer filmes monocristalinos de GaN. O ponto de fusão do composto GaN é superior a 1.600°C, mais de 200°C acima do ponto de fusão do silício.

Em 1972, surgiu o LED baseado em GaN dopado com magnésio. Foi revolucionário, pois, embora inicialmente não tivesse brilho suficiente para uso comercial, permitiu pela primeira vez a emissão de luz azul-violeta.

Desde os anos 1990, o nitreto de gálio passou a ser amplamente utilizado em LEDs, emitindo luz azul usada em leitores de disco Blu-ray. GaN também é empregado em dispositivos semicondutores de potência, componentes de RF, lasers, fotônica e, futuramente, se espera que seja usado na tecnologia de sensores.

Em 2006, iniciou-se a produção de transistores GaN em modo de reforço (conhecidos como GaN FETs), cultivando filmes finos de GaN sobre camadas de AIN em wafers de silício padrão através do método MOCVD. A camada de AIN funciona como buffer entre o substrato e o GaN. Essa nova abordagem permitiu que os transistores GaN fossem fabricados nas mesmas fábricas que os dispositivos de silício, usando praticamente os mesmos processos. O uso de processos conhecidos facilita a produção de transistores compactos com alto desempenho a baixo custo. Todos os materiais semicondutores possuem uma faixa proibida de energia (bandgap), que indica a capacidade do sólido de conduzir eletricidade. O silício tem uma bandgap de 1,12 eV, enquanto o GaN tem 3,4 eV. Isso significa que o GaN suporta tensões e temperaturas mais altas que o MOSFET de silício.

Graças à sua ampla bandgap, o GaN permite a aplicação em dispositivos optoeletrônicos de alta potência e alta frequência. Ao suportar tensões e temperaturas mais altas que os transistores de arseneto de gálio (GaAs), o GaN é considerado ideal para amplificadores de potência em dispositivos de micro-ondas e terahertz (Thz), usados em imageamento e sensoriamento.

Quais são as vantagens do GaN?

Quais são os benefícios de adotar o GaN — um material que possibilitou o uso em dispositivos optoeletrônicos de alta potência e alta frequência — nos adaptadores AC? Aqui explicamos as vantagens dessa aplicação.

GaN é frequentemente comparado a componentes feitos de silício. Os atuais MOSFETs à base de silício são amplamente usados como comutadores de energia em fontes AC/DC, conversores DC/DC e dispositivos de controle de motores, cobrindo uma faixa de potência de várias dezenas a milhares de watts. Suas características, como embalagem, resistência RDS, tensão nominal e velocidade de comutação, foram continuamente melhoradas.

Contudo, os semicondutores de silício estão se aproximando de um limite teórico de desempenho após anos de avanços tecnológicos, tornando improvável sua melhoria adicional. Por outro lado, os dispositivos de potência à base de nitreto de gálio são transistores de alta mobilidade eletrônica com maior rigidez dielétrica que o silício. Essa alta mobilidade eletrônica significa que o GaN possui maior intensidade de campo elétrico em comparação ao silício, e sua tecnologia permite que os dispositivos sejam menores para a mesma resistência ou tensão de ruptura.

Os GaN FETs possuem velocidade de comutação extremamente rápida e excelentes características de recuperação reversa, essenciais para alta eficiência e baixas perdas. Atualmente, existem muitos dispositivos GaN FET com classificação de 600/650V disponíveis no mercado.

As vantagens na aplicação em adaptadores AC podem ser amplamente divididas em três:

Redução de aquecimento

O GaN tem alta condutividade térmica devido à sua ampla bandgap, o que permite a operação em temperaturas mais altas e facilita a dissipação de calor. Isso permite que os adaptadores operem em temperaturas mais baixas, protegendo-os contra danos térmicos.

Miniaturização com alta densidade de potência

Como a frequência de comutação e a temperatura operacional dos componentes GaN são superiores aos de silício, é possível reduzir o tamanho do dissipador de calor, eliminar ventoinhas de resfriamento ou reduzir material magnético. Quanto maior a frequência de comutação dos componentes GaN, menores podem ser os indutores e capacitores usados no circuito de alimentação, resultando na redução do número de componentes eletrônicos internos do adaptador AC e, assim, possibilitando a miniaturização do case.

Redução de ruído acústico e transmissão de energia sem fio

Frequências mais altas reduzem o ruído acústico em aplicações com motores. Frequências elevadas também permitem maior potência na transmissão de energia sem fio, aumentando a flexibilidade espacial e ampliando a distância entre transmissor e receptor. Atualmente, essa tecnologia está sendo pesquisada para carregamento de veículos elétricos.

Adaptador AC com GaN desenvolvido pela Unifive

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