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

A UNIFIVE, fabricante de fontes de alimentação, explica o que é um adaptador CA que utiliza GaN (nitreto de gálio). Apresentamos as diferenças em relação ao silício, os motivos que permitem torná-lo compacto e altamente eficiente, os aspectos importantes do projeto, os resultados de miniaturização dos nossos adaptadores CA com semicondutores de potência de última geração e exemplos de fontes de alimentação personalizadas.

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

Um adaptador CA que utiliza GaN (nitreto de gálio) é um adaptador que emprega GaN, em vez de silício (Si), nos elementos de comutação (semicondutores de potência) que ligam e desligam a energia elétrica.

Os componentes de GaN apresentam menor perda de energia do que os componentes de silício e podem operar em frequências de comutação mais altas. Isso permite reduzir o tamanho dos transformadores e capacitores dentro do adaptador CA. Como resultado, é possível tornar o adaptador CA menor e mais leve, mantendo a mesma potência de saída.

A miniaturização da fonte de alimentação oferece grandes vantagens aos fabricantes de equipamentos. Uma fonte de alimentação menor permite que o próprio equipamento também seja projetado com dimensões reduzidas. Além disso, a miniaturização da fonte de alimentação contribui para a redução do custo total do equipamento.

Diferenças entre GaN e silício (Si)

O GaN é um semicondutor com uma banda proibida mais larga do que a do silício. Materiais com banda proibida larga podem suportar tensões e temperaturas elevadas. A tabela a seguir compara o silício e o GaN como materiais para semicondutores de potência.

Os transistores que utilizam GaN (FETs de GaN) oferecem velocidades de comutação muito altas e excelentes características de recuperação reversa. Atualmente, FETs de GaN com classificações de 600 V e 650 V estão disponíveis em muitos mercados. O funcionamento das fontes de alimentação chaveadas é explicado em O que é uma fonte de alimentação chaveada?.

O que é o GaN (nitreto de gálio)?

O nitreto de gálio (GaN) é um semicondutor composto formado pela ligação entre o gálio (Ga) e o nitrogênio (N). O GaN é um semicondutor binário de transição direta do grupo III/V. É um material adequado para transistores de alta potência que operam corretamente mesmo em altas temperaturas.

O GaN é utilizado em diodos emissores de luz (LEDs), lasers, fotônica, componentes de RF e dispositivos semicondutores de potência. O GaN pode operar em temperaturas e tensões mais elevadas do que os transistores de arseneto de gálio (GaAs). Por isso, também é considerado adequado para amplificadores de potência de dispositivos de micro-ondas e dispositivos de terahertz (THz) utilizados em geração de imagens e sensoriamento.

Diferenças entre o gálio e o nitreto de gálio

O gálio é um elemento metálico. O ponto de fusão do gálio puro é de aproximadamente 30°C. Por isso, o gálio pode derreter até mesmo na palma da mão de uma pessoa. O nitreto de gálio (GaN) é um composto formado pela combinação de gálio e nitrogênio. As propriedades do nitreto de gálio são muito diferentes das do gálio. O nitreto de gálio não derrete a baixas temperaturas como o gálio.

Na natureza, o gálio não existe como metal em sua forma elementar. Ele é obtido como subproduto durante a produção de alumínio a partir do minério de bauxita ou durante a produção de zinco a partir da esfalerita. O nitreto de gálio é produzido a partir desse gálio e de nitrogênio.

História do GaN

A história do GaN começa com a descoberta do gálio. A tabela a seguir resume os principais acontecimentos relacionados ao GaN.

A camada de AlN atua como uma camada intermediária (buffer) entre o substrato de silício e o GaN. Esse processo tornou possível fabricar transistores de GaN nas mesmas fábricas existentes que produzem dispositivos de silício, utilizando praticamente o mesmo processo de fabricação. Com a redução dos custos de fabricação, tornou-se mais fácil adotar transistores compactos de alto desempenho.

Por que o uso de GaN permite reduzir o tamanho dos adaptadores CA

O uso de GaN permite reduzir o tamanho dos adaptadores CA porque os dispositivos de GaN apresentam baixas perdas e podem operar em altas frequências.

Nos adaptadores CA convencionais, os MOSFETs de silício (transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico) têm sido amplamente utilizados como dispositivos de comutação. Graças a muitos anos de aperfeiçoamento, o desempenho dos MOSFETs de silício está se aproximando de seu limite teórico. Por isso, o GaN vem se difundindo como uma alternativa ao silício em dispositivos de comutação.

Os dispositivos de potência de GaN são transistores de alta mobilidade eletrônica (HEMTs). O GaN é um material com um campo elétrico de ruptura maior do que o do silício. Portanto, ao comparar dispositivos com a mesma resistência no estado ligado e a mesma tensão de ruptura, os dispositivos de GaN são menores do que os de silício. Além disso, como os dispositivos de GaN apresentam alta mobilidade eletrônica e são menores, eles podem realizar comutações em alta velocidade. Os três principais benefícios para os adaptadores CA são os seguintes.

Menores perdas e menor geração de calor

Os FETs de GaN apresentam uma velocidade de comutação extremamente alta e excelentes características de recuperação reversa. Por isso, há menos perda de energia durante a comutação. Com menos perdas, uma quantidade menor de energia é convertida em calor dentro do adaptador CA. Como resultado, é possível limitar o aumento da temperatura do adaptador CA e proteger os componentes contra danos causados pelo calor. Além disso, como o GaN possui um band gap amplo, ele suporta temperaturas mais altas do que o silício.

Podem operar em altas frequências, permitindo reduzir o tamanho de transformadores e capacitores

Os dispositivos de GaN podem realizar a comutação em frequências mais altas do que os dispositivos de silício. Quanto maior a frequência de comutação, menores podem ser os transformadores, indutores e capacitores usados no circuito de alimentação. Além disso, como geram menos calor, é possível reduzir o tamanho dos dissipadores de calor ou eliminar as ventoinhas de resfriamento. A redução desses componentes permite diminuir o tamanho do gabinete do adaptador de CA. Também é possível fornecer mais potência com um gabinete do mesmo tamanho (maior densidade de potência).

Quanto menor a fonte de alimentação, menor pode ser o próprio equipamento

A redução do tamanho da fonte de alimentação proporciona maior flexibilidade no projeto dos equipamentos que a utilizam. Em equipamentos com fonte de alimentação integrada, é possível projetar o próprio equipamento com dimensões menores. Em equipamentos que utilizam adaptadores CA, torna-se mais fácil acomodar o adaptador CA em espaços de instalação limitados. Além disso, ao conectá-lo a uma régua de tomadas, há menos risco de interferência com as tomadas adjacentes. A miniaturização da fonte de alimentação também contribui para a redução do custo total do equipamento.

Temos um caso em que propusemos uma série que utiliza semicondutores de potência de última geração e solucionamos problemas relacionados ao espaço de instalação e à interferência. Para obter mais informações, consulte o caso de solução semicustomizada que alcançou a miniaturização com uma série de semicondutores de potência de última geração.

Pontos importantes no projeto de fontes de alimentação com GaN

A eficiência, a geração de calor e a vida útil dos adaptadores CA que utilizam GaN não são determinadas apenas pelo material do semicondutor. Elas variam de acordo com o projeto do circuito, a configuração dos componentes e o projeto de dissipação de calor.

Os dispositivos de GaN realizam comutação em alta velocidade. Por isso, em fontes de alimentação que utilizam GaN, são importantes as medidas contra ruído (EMI) adequadas à comutação de alta velocidade e o projeto do circuito de acionamento de gate que controla os dispositivos. Para aproveitar ao máximo o desempenho dos dispositivos de GaN, é necessário ter capacidade para projetar toda a fonte de alimentação.

Em nossa empresa, o departamento especializado em projetos de fontes de alimentação desenvolve de forma integrada os circuitos, transformadores, gabinetes, a compatibilidade eletromagnética (EMC) e a conformidade com as normas de segurança. Além disso, o GaN não é a única forma de reduzir o tamanho. Também temos casos de produção em massa de adaptadores CA compactos com dispositivos de silício, viabilizados por melhorias no circuito (Caso de produção em massa de um adaptador CA de 65 W). Propomos a solução ideal de acordo com as especificações e o custo do equipamento.

Caso seja necessária uma fonte de alimentação adaptada ao equipamento, nós a projetaremos como uma fonte de alimentação personalizada. Os tipos e o processo de personalização são explicados em O que é a personalização de fontes de alimentação?.

Nossos adaptadores CA com semicondutores de potência de última geração

Oferecemos uma linha padrão de adaptadores CA compactos, de 10 W a 450 W, que utilizam semicondutores de potência de última geração. Nossos adaptadores CA com semicondutores de potência de última geração combinam alta eficiência com um gabinete compacto. Realizamos testes rigorosos para garantir alta confiabilidade, mesmo com a redução de tamanho.

Linha de produtos por potência de saída

Escolha a série de acordo com a potência de saída necessária.

10W/12W/15W/18W/24W/45W/65W/100W/160W/200W/450W

Todas as séries estão disponíveis na lista de adaptadores CA compactos com semicondutores de potência de próxima geração. Para adaptadores CA compatíveis com USB PD, consulte Adaptadores CA USB PD.

Resultados de miniaturização

A tabela a seguir apresenta exemplos de miniaturização e redução de peso dos nossos adaptadores CA com semicondutores de potência de última geração. O objeto de comparação varia de acordo com cada Produtos.

Comparação de tamanho entre nosso adaptador CA de 200 W (à frente) e nosso produto convencional (atrás)

Se os produtos padrão não atenderem às suas necessidades, oferecemos fontes de alimentação personalizadas

Se os produtos padrão não atenderem aos requisitos de potência de saída, formato, cabos, etiquetas ou normas de segurança, podemos fornecer fontes de alimentação personalizadas. Nossas soluções incluem a personalização parcial, na qual apenas os elementos necessários de um produto padrão são modificados, e a personalização completa, desenvolvida do zero.

Também podemos ajustar adaptadores CA que utilizam semicondutores de potência de última geração às necessidades do seu equipamento, incluindo tensão de saída, formato do conector, especificações dos cabos, funções de proteção e monitoramento e otimização da compatibilidade eletromagnética (EMC). Também oferecemos suporte para consultas sobre prototipagem e avaliação. Mesmo que a potência de saída ou o formato desejado não esteja disponível em nossos produtos padrão, entre em contato conosco para informar suas especificações. Consulte exemplos de projetos personalizados na página de soluções personalizadas.

Perguntas frequentes sobre adaptadores CA que utilizam GaN

O GaN (nitreto de gálio) derrete a aproximadamente 30 °C?

Não. O que derrete a aproximadamente 30 °C é o gálio metálico. O GaN é um composto formado pela ligação entre gálio e nitrogênio. Ao contrário do gálio, o GaN não derrete a baixas temperaturas. O GaN é utilizado em dispositivos de potência como um semicondutor capaz de suportar altas tensões e temperaturas.

Quais potências de saída estão disponíveis nos Produtos de adaptadores CA que utilizam semicondutores de potência de última geração?

Oferecemos produtos padrão de 10 W a 450 W. As séries por potência de saída podem ser consultadas na lista de adaptadores CA compactos com semicondutores de potência de última geração.

O que devo fazer se não houver um produto padrão com a potência de saída ou o formato adequados?

Podemos atender às suas necessidades com fontes de alimentação personalizadas. Oferecemos tanto soluções semipersonalizadas, baseadas em produtos padrão, quanto soluções totalmente personalizadas, projetadas do zero. Informe-nos a potência de saída, o formato, o ambiente de uso e as normas de segurança necessários.

Solicitar informações sobre adaptadores AC com semicondutores de potência de próxima geração

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