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

Este é um artigo que explica sobre adaptadores AC e fontes de alimentação com comutação equipados com IC de GaN (nitreto de gálio), conhecido como semicondutor de próxima geração. Está sendo utilizado no adaptador USB-PD desenvolvido pela Unifive.

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

O que é GaN?

Hoje em dia é comum encontrar adaptadores USB AC com GaN PD em lojas de eletrônicos. O “GaN” refere-se ao nitreto de gálio, um material da próxima geração que está provocando transformações revolucionárias na área de eletrônica de potência. Durante décadas, os MOSFETs à base de silício desempenharam papel fundamental na conversão de energia em eletricidade e tornaram-se indispensáveis na vida moderna. Contudo, já se atingem os limites teóricos para melhorias de eficiência e performance dos MOSFETs de silício.

Nos últimos anos, a demanda por maior densidade e eficiência energética aumentou, e países desenvolvidos têm imposto regulações visando reduzir a poluição ambiental. O silício, no entanto, contém componentes que dificultam sua adequação às novas exigências ambientais. Já o nitreto de gálio apresenta características capazes de acompanhar este avanço por oferecer melhorias na eficiência, desempenho e densidade energética dos sistemas de potência, se difundindo como a próxima geração em tecnologia de comutação de potência.

Então, o que é o nitreto de gálio?

O nitreto de gálio não ocorre como elemento puro na natureza. Ele é obtido como subproduto durante o refino de alumínio a partir da bauxita ou na produção de zinco processando esfalerita. Por isso, sua extração e purificação geram muito pouco CO₂. Mais de 300 toneladas de gálio são produzidas anualmente, e estima-se que as reservas globais ultrapassem 1 milhão de toneladas. Como é um subproduto, o preço é relativamente baixo: cerca de 300 dólares por quilo — aproximadamente 1/200 do valor do ouro.

Além de suas vantagens ambientais, o nitreto de gálio é um semicondutor binário do grupo III/V com transição direta, ideal para transistores de alta potência operando em altas temperaturas.

História do GaN

O ponto de fusão do gálio puro é de apenas 30°C, o que significa que ele pode derreter na palma da mão. Foram necessários mais 65 anos para que o nitreto de gálio fosse sintetizado pela primeira vez, e até a década de 1960 não era possível cultivar cristais únicos do material. O nitreto de gálio composto (GaN) possui ponto de fusão acima de 1600°C, cerca de 200°C mais elevado que o do silício.

Em 1972, surgiu o primeiro LED baseado em GaN dopado com magnésio — um avanço significativo. Mesmo com brilho insuficiente para aplicações comerciais, foi o primeiro LED capaz de emitir luz azul-violeta.

A partir dos anos 1990, o GaN passou a ser amplamente utilizado em LEDs, emitindo luz azul usada em leitores de discos Blu-ray. O material também é empregado em dispositivos semicondutores de potência, componentes RF, lasers e fotônica. Espera-se que, no futuro, seja utilizado também em sensores.

Em 2006, foi iniciado o desenvolvimento de transistores GaN em modo de aumento (também chamados GaN FETs), fazendo crescer filmes finos de GaN sobre uma camada de AIN em wafers padrão de silício por meio da técnica MOCVD. A camada de AIN funciona como buffer entre o substrato e o GaN. Essa abordagem permitiu que os transistores GaN fossem fabricados em plantas existentes com quase os mesmos processos dos de silício. Isso proporcionou uma produção de baixo custo, ao mesmo tempo que melhorou significativamente o desempenho dos transistores compactos, reduzindo barreiras à adoção da tecnologia. Todo material semicondutor possui uma faixa de energia proibida chamada bandgap. Ela define a capacidade do material conduzir eletricidade. O silício possui bandgap de 1,12 eV, enquanto o GaN tem 3,4 eV. Um bandgap mais amplo significa que o GaN suporta tensões e temperaturas mais altas que os MOSFETs de silício.

Este bandgap largo permite a aplicação do GaN em dispositivos ópticos de alta potência e alta frequência. Por operar em temperaturas e tensões significativamente mais elevadas do que os transistores de arseneto de gálio (GaAs), o GaN é considerado ideal para amplificadores de potência em dispositivos de micro-ondas e terahertz usados em imageamento e sensoriamento.

Vantagens do GaN

Quais os benefícios da adoção do GaN, um material aplicável a dispositivos optoeletrônicos de alta potência e frequência, em adaptadores AC? A seguir, explicamos as vantagens dessa implementação.

O material GaN é frequentemente comparado ao silício. Os MOSFETs à base de silício, atualmente padrão, são amplamente aplicados em fontes de alimentação AC/DC, DC/DC e em controle de motores, variando desde dezenas até milhares de watts. Suas embalagens, resistência de condução (RDS), tensão nominal e velocidade de comutação vêm sendo continuamente aprimoradas.

No entanto, os semicondutores de silício estão atingindo seus limites teóricos, e melhorias adicionais se tornaram praticamente inviáveis. Por outro lado, dispositivos de potência baseados em GaN são transistores de alta mobilidade eletrônica com um campo elétrico crítico maior que o do silício, o que significa que o GaN suporta maior intensidade de campo elétrico com a mesma resistência ou tensão de ruptura — resultando em dispositivos mais compactos comparados aos de silício.

FETs de GaN possuem velocidade de comutação extremamente rápida, além de excelentes características de recuperação reversa — essenciais para desempenho de baixa perda e alta eficiência. Atualmente, modelos com classificação de 600/650V já estão amplamente disponíveis no mercado.

As principais vantagens do uso do GaN em adaptadores AC podem ser resumidas em três pontos:

Redução do calor

O GaN possui um bandgap mais largo, o que proporciona maior condutividade térmica em comparação ao silício. Isso permite seu funcionamento em temperaturas mais elevadas e melhora a dissipação de calor, ajudando a manter o adaptador AC refrigerado e protegido contra danos térmicos.

Miniaturização por alta densidade de potência

O GaN possui maior frequência de comutação e temperatura operacional do que materiais à base de silício, permitindo a redução de dissipadores, eliminação de ventoinhas e redução de componentes magnéticos. Quanto maior a frequência de comutação dos componentes GaN, menores podem ser os indutores e capacitores utilizados no circuito regulador — resultando em uma redução significativa no tamanho do adaptador AC.

Redução de ruído acústico e viabilização da transmissão de energia sem fio

Frequências mais altas resultam em menos ruído acústico em aplicações com motores. Isso também permite transmissões de energia sem fio com potência mais elevada, aumentando a flexibilidade espacial e ampliando a distância entre emissor e receptor. Pesquisas já estão em andamento para aplicar essa tecnologia no fornecimento de energia a veículos elétricos.

Adaptador AC com GaN desenvolvido pela Unifive

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