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

Esta pagina explica adaptadores AC e fontes de alimentacao chaveadas equipados com IC de GaN (nitreto de galio), considerados semicondutores de proxima geracao. Adotado no adaptador USB-PD desenvolvido pela UNIFIVE.

O que e um adaptador AC com GaN, o semicondutor da proxima geracao

O que e GaN?

Recentemente, adaptadores USB AC com PD e GaN tem sido vistos com frequencia em lojas de eletronicos. "GaN" significa nitreto de galio, um material de proxima geracao que esta trazendo mudancas revolucionarias para a area de eletronica de potencia. Por decadas, os MOSFETs baseados em silicio (transistores de efeito de campo metal-oxido-semicondutor) desempenharam o papel de converter energia em eletricidade, tornando-se indispensaveis na vida moderna. No entanto, a melhoria e o aumento da eficiencia dos MOSFETs de silicio tradicionais possuem limites teoricos, e a tecnologia atual esta se aproximando de um nivel em que ha pouco espaco para avancos adicionais.

Nos ultimos anos, com a crescente demanda por maior densidade e eficiencia de potencia, especialmente nos paises desenvolvidos, diversas regulamentacoes ambientais tem sido implementadas para reduzir a poluicao. Nesse contexto, o silicio apresenta dificuldades para acompanhar essa tendencia ambiental. Em comparacao, o nitreto de galio possui caracteristicas que atendem as crescentes necessidades de eficiencia, desempenho e densidade de potencia em sistemas eletricos, tornando-se um elemento central na tecnologia de chaveamento de potencia de proxima geracao em substituicao ao silicio.

Entao, o que e nitreto de galio?

O nitreto de galio nao existe como elemento isolado na natureza. Geralmente, e obtido como subproduto durante o refinamento do aluminio a partir da bauxita ou na producao de zinco a partir da esfalerita, o que resulta em emissoes muito baixas de CO2 durante sua extracao e purificacao. Mais de 300 toneladas de galio sao produzidas anualmente, e as reservas mundiais sao estimadas em mais de 1 milhao de toneladas. Por ser um subproduto do processamento, seu preco e relativamente baixo, cerca de 300 dolares por kg, aproximadamente 1/200 do preco do ouro, que custa cerca de 60.000 dolares por kg.

Alem das vantagens ambientais, trata-se de um semicondutor binario do grupo III-V de transicao direta, adequado para transistores de alta potencia capazes de operar corretamente em altas temperaturas.

Historia do GaN

O ponto de fusao do galio puro e de apenas cerca de 30°C, podendo derreter na palma da mao a temperatura corporal. Foram necessarios cerca de 65 anos ate que o nitreto de galio fosse sintetizado pela primeira vez, e somente na decada de 1960 tornou-se possivel crescer filmes monocristalinos de GaN. O composto GaN possui ponto de fusao superior a 1.600°C, cerca de 200°C acima do ponto de fusao do silicio.

Em 1972, foi criado um LED baseado em GaN dopado com magnesio. Foi um acontecimento revolucionario. Embora inicialmente nao tivesse brilho suficiente para uso comercial, foi o primeiro LED capaz de emitir luz azul-violeta.

Desde a decada de 1990, o nitreto de galio passou a ser amplamente utilizado em diodos emissores de luz (LEDs). Ele emite luz azul utilizada na leitura de discos Blu-ray. Alem disso, e empregado em dispositivos semicondutores de potencia, componentes de RF, lasers e fotonica. No futuro, espera-se tambem sua aplicacao na area de sensores.

Em 2006, iniciou-se a producao de transistores GaN em modo de enriquecimento (tambem chamados de GaN FET), nos quais filmes finos de GaN foram crescidos sobre camadas de AlN em wafers padrao de silicio por meio da tecnica MOCVD. A camada de AlN atua como buffer entre o substrato e o GaN. Esse novo metodo permitiu fabricar transistores de nitreto de galio nas mesmas fabricas existentes de silicio, utilizando processos praticamente identicos. O uso de processos ja estabelecidos possibilitou producao de baixo custo semelhante ao silicio e reduziu as barreiras para a introducao de transistores menores e de maior desempenho. Todo material semicondutor possui o chamado bandgap, que representa a faixa de energia em que estados eletronicos nao podem existir. Em termos simples, o bandgap indica o quanto um material pode conduzir eletricidade. O bandgap do silicio e de 1,12 eV, enquanto o do nitreto de galio e de 3,4 eV. Um bandgap maior significa que o GaN pode suportar tensoes e temperaturas mais altas do que os MOSFETs de silicio.

Devido a esse amplo bandgap, o nitreto de galio possibilita aplicacoes em dispositivos optoeletronicos de alta potencia e alta frequencia. Ele pode operar em temperaturas e tensoes muito mais elevadas do que transistores de arseneto de galio (GaAs), sendo considerado ideal tambem como amplificador de potencia para dispositivos de micro-ondas e dispositivos de terahertz (THz), como em aplicacoes de imagem e sensoriamento.

Vantagens do GaN

Quais sao os beneficios de utilizar o GaN, material que possibilita aplicacoes em dispositivos optoeletronicos de alta potencia e alta frequencia, em adaptadores AC? A seguir, explicamos as principais vantagens.

O GaN e frequentemente comparado ao silicio, que e o padrao atual. MOSFETs baseados em silicio sao amplamente utilizados como chaves de potencia em aplicacoes que variam de algumas dezenas ate milhares de watts, incluindo fontes AC/DC, DC/DC e dispositivos de controle de motores. Parametros como encapsulamento, resistencia RDS(on), tensao nominal e velocidade de chaveamento foram continuamente aprimorados.

No entanto, o desempenho dos semicondutores de silicio esta se aproximando de seus limites teoricos apos anos de avancos tecnologicos, tornando dificil novas melhorias. Por outro lado, dispositivos de potencia baseados em GaN sao transistores de alta mobilidade eletronica com campo eletrico critico superior ao do silicio. Essa alta mobilidade significa maior intensidade de campo eletrico e, sob as mesmas condicoes de resistencia e tensao de ruptura, dispositivos GaN podem ser menores que semicondutores de silicio.

Os GaN FET apresentam altissima velocidade de chaveamento e excelentes caracteristicas de recuperacao reversa, essenciais para baixo nivel de perdas e alta eficiencia. Atualmente, GaN FETs com classificacao de 600/650V estao amplamente disponiveis no mercado.

As principais vantagens ao utiliza-los em adaptadores AC sao as seguintes:

Melhor desempenho termico

Devido ao amplo bandgap, o GaN possui maior condutividade termica em comparacao ao silicio. Isso permite operacao em temperaturas mais elevadas e resfriamento mais eficiente, mantendo o adaptador AC em temperaturas mais baixas e protegendo-o contra danos causados pelo calor.

Maior densidade de potencia e reducao de tamanho

Como a frequencia de chaveamento e a temperatura de operacao sao superiores as dos componentes de silicio, e possivel reduzir o tamanho dos dissipadores de calor, eliminar ventiladores de resfriamento e diminuir componentes magneticos. Quanto maior a frequencia de chaveamento dos componentes GaN, menor podem ser os indutores e capacitores utilizados no circuito da fonte de alimentacao. Isso reduz a quantidade de componentes internos e permite diminuir o tamanho do gabinete do adaptador AC.

Reducao de ruido acustico e transmissao de energia sem fio

Quanto maior a frequencia, menor o ruido acustico em aplicacoes com motores. Alem disso, frequencias mais altas possibilitam transmissao de energia sem fio com maior potencia, ampliando a liberdade espacial e aumentando a distancia entre transmissor e receptor. Atualmente, essa tecnologia tambem esta sendo pesquisada para carregamento de veiculos eletricos.

Adaptador AC com GaN desenvolvido pela UNIFIVE

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