Se você observou recentemente o marketing de um carregador USB-C moderno, retificador de telecomunicações ou fonte de alimentação de servidor, provavelmente já viu três letras impulsionando o design - GaN. Na OnlineComponents.com, onde damos suporte tanto a engenheiros de projeto quanto a compradores de componentes em diversos setores, estamos vendo os dispositivos de nitreto de gálio passarem de “desconhecidos” a “onipresentes” em fontes de alimentação AC/DC e DC/DC, bem como em drivers de motor. Eis o motivo pelo qual o GaN tem atraído tanta atenção e o que observar ao qualificar componentes ou montar uma lista de materiais.

O que o GaN traz para a mesa

O GaN é um semicondutor de banda larga com um campo elétrico crítico e mobilidade eletrônica muito superiores aos do silício. Na prática, isso significa transistores com capacitâncias menores, comutação mais rápida e perdas de comutação drasticamente reduzidas em comparação com os MOSFETs de silício. Diferentemente dos diodos de corpo dos MOSFETs de silício, os transistores de potência GaN não dependem de portadores minoritários, portanto a carga de recuperação reversa é praticamente zero. A física por trás desses dispositivos é a base das fontes de alimentação atuais, menores, mais frias e mais eficientes.

Os projetistas normalmente recorrem ao GaN para a faixa de aproximadamente 100-650 volts, carregadores compactos de celulares e laptops e muitas fontes de alimentação industriais. Para tensões ainda mais altas e potências maiores, o carboneto de silício costuma ser a opção mais adequada, como em inversores de tração de veículos elétricos e no carregador embutido no carro. Ambos são materiais semicondutores de última geração, mas se destacam em faixas diferentes, motivo pelo qual os distribuidores geralmente oferecem opções de ambos.

Eficiência e densidade de potência: por que os compradores se importam

Como o nitreto de gálio pode comutar rapidamente com baixa perda, os projetistas aumentam as frequências de comutação (geralmente de duas a cinco vezes maiores do que as de fontes baseadas em silício). Isso permite reduzir o tamanho de componentes magnéticos e capacitores, reduzir a massa do dissipador de calor e aumentar a densidade de potência geral. É essa tecnologia que está por trás dos carregadores USB-C Power Delivery e das fontes de alimentação de fator de forma pequeno e alta potência que estão se tornando tão populares. Com esses sistemas de alta frequência e alta tensão, encontram-se taxas de variação significativamente mais altas, sendo comuns dezenas de volts por nanossegundo, exigindo projetos de referência que enfatizem a disciplina na disposição dos componentes para manter as interferências eletromagnéticas (EMI) sob controle.

Todos esses recursos levam a benefícios práticos para os usuários finais. Usando nitreto de gálio, é possível alcançar um custo de sistema mais baixo com o mesmo desempenho, ou até melhor. Embora um dispositivo GaN possa ser mais caro do que um MOSFET de silício comparável, o custo do sistema geralmente cai porque é possível reduzir o tamanho dos componentes magnéticos (transformadores e afins), capacitores, hardware térmico e volume do gabinete. Essa é uma conversa sobre lista de materiais que os projetistas de energia modernos deveriam ter diariamente com seus projetistas de sistemas.

A maior eficiência dessas fontes de alimentação é um caminho óbvio para certificações de eficiência igualmente mais altas. As fontes de alimentação de data centers e PCs competem em rótulos de eficiência energética, e o uso de front-ends baseados em GaN facilita esses objetivos ao reduzir as perdas de PFC e do estágio primário em carga parcial e total.

Por fim, um produto menor e mais leve é benéfico para todos. Para adaptadores e fontes embarcadas, o peso de envio, a densidade de portas e o conforto térmico são importantes. Os benefícios da densidade do GaN são evidentes para muitos, e esse benefício é visível nas prateleiras de varejo, onde carregadores de parede multiportas de 65-100 watts têm metade do tamanho de seus predecessores de silício. De fato, se um produto final usa os termos “ultracompacto” ou “de bolso” em seu marketing, há uma boa chance de que haja nitreto de gálio em seu interior.

Tendências de topologia com o Nitreto de Gálio

Existem algumas topologias que estão se tornando mais predominantes devido aos recursos exclusivos dos MOSFETs baseados em GaN. Um estilo mais novo de correção de fator de potência substitui a ponte de diodos de entrada usual. A comutação rápida e limpa torna isso viável, proporcionando maior eficiência e menos componentes. Eliminar essa ponte de diodos exige um layout de circuito cuidadoso, boa filtragem de entrada e atenção à detecção de corrente e ao tempo de comutação para manter o ruído elétrico sob controle.

Seja utilizando um conversor ressonante ou um simples meia-ponte, o GaN permite comutar mais rápido com menor perda, o que significa que você pode usar um estágio isolado de alta frequência. Isso resulta em um transformador e capacitor menores sem abrir mão da eficiência. Muitos projetistas combinam um front-end de nitreto de gálio com uma meia-ponte GaN para que todo o lado primário funcione mais frio e mais leve.

No lado secundário, os estágios de redução e elevação de baixa tensão - algo na faixa de 48 volts para 12 volts ou 12 volts para 5 volts - reduzem a energia desperdiçada a cada vez que as chaves ligam e desligam. O resultado são fontes compactas e de múltiplas saídas que permanecem eficientes mesmo com transformadores cada vez menores.

Estágios de potência GaN integrados são dispositivos em que os transistores são integrados com o driver e a proteção. A integração encurta os laços de fiação sensíveis, facilitando o controle da comutação de alta velocidade e, muitas vezes, simplificando a PCB. Para muitas equipes, esse é o caminho mais rápido para um design confiável e de alta densidade.

Confiabilidade dos transistores GaN

Os primeiros céticos da tecnologia GaN se preocupavam com as variações dinâmicas de RDS(on), os métodos de qualificação e a confiabilidade do gate a longo prazo. Em resposta a essas preocupações, o setor padronizou as práticas de teste e relatório e publica dados de vida útil relevantes para as aplicações. Ao avaliar componentes, solicite condições de estresse que se assemelhem ao seu caso de uso e procure qualificações alinhadas às diretrizes específicas de GaN, em vez de apenas aos testes tradicionais de MOSFET de silício.

Do ponto de vista de um projetista, existe uma lista de verificação prática de itens a serem verificados ou tratados que recomendamos às equipes de engenharia e suprimentos.  

• Adequação da classe de tensão e da topologia. Como a maioria do GaN atual é ideal na faixa de 100-650 V, só faz sentido em aplicações que se enquadrem nessa faixa. Mesmo depois disso, no entanto, será necessário garantir que todos os outros parâmetros atendam às suas necessidades.
• Driver integrado versus discreto. As soluções GaN integradas, com driver e proteção incluídos, reduzem parasitas e riscos de projeto. As soluções GaN discretas, por outro lado, oferecem flexibilidade e podem oferecer mais opções de encapsulamento.
• Proteção térmica. A eficiência é maior do que em muitas outras tecnologias, mas os encapsulamentos são menores. Isso torna igualmente importante validar os caminhos térmicos. Como em toda a eletrônica, uma junção mais fria prolonga a vida útil e evita surpresas de derating.
• Estratégia de interferência eletromagnética (EMI) - Bordas rápidas economizam watts, mas podem emitir ondas eletromagnéticas indesejadas. Reserve orçamento para snubbers, espectro espalhado se possível, e simule correntes de modo comum desde cedo para garantir que o design funcione corretamente e não exceda os requisitos de emissão.
• Cadeia de suprimentos e segunda fonte. Como distribuidor, estamos bem cientes dos desafios de obter componentes eletrônicos. Felizmente, à medida que a demanda por GaN cresceu, ele se tornou um mercado multifornecedor, com vários fornecedores produzindo componentes semelhantes.  

Resumo

A ascensão do nitreto de gálio não é modismo. É uma vantagem de materiais transformada em conquistas de projeto do dia a dia. Para os engenheiros, ela desbloqueia maior eficiência, maior frequência e maior densidade de potência com ferramentas e designs de referência convencionais. Para os compradores, pode reduzir o custo do sistema, diminuir o tamanho e o peso, e sustentar roteiros de eficiência ambiciosos. Ao qualificar seus componentes, procure dados de confiabilidade específicos de GaN e confirme a cobertura de múltiplos fornecedores para reduzir o risco do seu plano.