Se di recente avete osservato il marketing di un moderno caricabatterie USB-C, di un raddrizzatore per telecomunicazioni o di un alimentatore per server, probabilmente avrete notato tre lettere alla base del design: GaN. Presso OnlineComponents.com, dove supportiamo sia progettisti che responsabili degli acquisti di componenti in vari settori, stiamo assistendo al passaggio dei dispositivi al nitruro di gallio da “sconosciuti” a “onnipresenti” negli alimentatori AC/DC e DC/DC, così come nei driver per motori. Ecco perché il GaN ha catturato così tanta attenzione e cosa considerare quando si qualificano i componenti o si costruisce una distinta base.

Cosa offre il GaN

Il GaN è un semiconduttore a banda proibita larga con un campo elettrico critico e una mobilità elettronica molto più elevati rispetto al silicio. In pratica, ciò significa transistor con capacità inferiori, commutazione più rapida e perdite di commutazione drasticamente ridotte rispetto ai MOSFET al silicio. A differenza dei diodi body dei MOSFET al silicio, i transistor di potenza al GaN non dipendono dai portatori minoritari, quindi la carica di recupero inverso è praticamente pari a zero. La fisica alla base di questi dispositivi rappresenta il fondamento degli alimentatori odierni, più piccoli, più freschi ed efficienti.

I progettisti si rivolgono generalmente al GaN per l'intervallo di circa 100-650 volt, per caricabatterie compatti di telefoni e laptop e per molti alimentatori industriali. Per tensioni ancora più elevate e potenze maggiori, il carburo di silicio è spesso la soluzione più adatta, come negli inverter di trazione dei veicoli elettrici e nel caricabatterie integrato nell'auto. Entrambi sono materiali semiconduttori di nuova generazione, ma eccellono in intervalli diversi, motivo per cui i distributori solitamente offrono opzioni per entrambi.

Efficienza e densità di potenza: perché interessano agli acquirenti

Poiché il nitruro di gallio può commutare rapidamente con basse perdite, i progettisti spingono verso frequenze di commutazione più elevate (spesso da due a cinque volte superiori rispetto agli alimentatori basati su silicio). Questo consente di ridurre le dimensioni dei componenti magnetici e dei condensatori, ridurre la massa dei dissipatori di calore e aumentare la densità di potenza complessiva. È questa tecnologia alla base di quei caricabatterie USB-C Power Delivery e alimentatori compatti e ad alta potenza che stanno diventando così popolari. Con questi sistemi ad alta frequenza e alta tensione, si riscontrano slew rate significativamente più elevati, con decine di volt per nanosecondo comuni, il che richiede design di riferimento che enfatizzino la disciplina del layout per tenere sotto controllo le interferenze elettromagnetiche (EMI).

Tutte queste caratteristiche portano a vantaggi pratici per gli utenti finali. Utilizzando il nitruro di gallio, è possibile ottenere un costo di sistema inferiore a parità, o addirittura a miglioramento, delle prestazioni. Sebbene un dispositivo GaN possa essere più costoso di un MOSFET al silicio comparabile, il costo di sistema spesso diminuisce perché è possibile ridurre le dimensioni dei componenti magnetici (trasformatori e simili), dei condensatori, dell'hardware termico e del volume dell'involucro. È una discussione sulla distinta base che i moderni progettisti di alimentazione dovrebbero affrontare quotidianamente con i progettisti di sistema.

La maggiore efficienza di questi alimentatori rappresenta un percorso evidente verso certificazioni di efficienza altrettanto elevate. Gli alimentatori per data center e PC competono sulle etichette di efficienza energetica, e l'utilizzo di front-end basati su GaN facilita il raggiungimento di questi obiettivi riducendo le perdite di PFC e dello stadio primario a carico parziale e pieno.

Infine, un prodotto più piccolo e leggero è vantaggioso per tutti. Per adattatori e alimentatori integrati, il peso di spedizione, la densità delle porte e il comfort termico sono importanti. I vantaggi della densità del GaN sono evidenti a molti, e questo beneficio è visibile sugli scaffali dei negozi, dove i caricabatterie da parete multiporta da 65-100 watt sono la metà delle dimensioni dei loro predecessori al silicio. In effetti, se un prodotto finale utilizza nel suo marketing termini come “ultra-compatto” o “tascabile”, è molto probabile che al suo interno ci sia del nitruro di gallio.

Tendenze delle topologie con il Nitruro di Gallio

Ci sono alcune topologie che stanno diventando più diffuse grazie alle caratteristiche uniche dei MOSFET basati su GaN. Uno stile più recente di correzione del fattore di potenza sostituisce il consueto ponte a diodi in ingresso. La commutazione rapida e pulita rende questo approccio praticabile, ottenendo così maggiore efficienza e meno componenti. Eliminare questo ponte a diodi richiede però un layout circuitale accurato, un buon filtraggio in ingresso e attenzione al rilevamento della corrente e alla temporizzazione degli switch per tenere sotto controllo il rumore elettrico.

Che si utilizzi un convertitore risonante o un semplice half-bridge, il GaN consente di commutare più velocemente con perdite inferiori, il che significa poter utilizzare uno stadio isolato ad alta frequenza. Ciò produce un trasformatore e un condensatore più piccoli senza rinunciare all'efficienza. Molti progettisti abbinano un front-end al nitruro di gallio con un half-bridge GaN, in modo che l'intero lato primario funzioni in modo più fresco e leggero.

Sul lato secondario, gli stadi di step-down e step-up a bassa tensione - qualcosa come da 48 volt a 12 volt o da 12 volt a 5 volt - riducono l'energia sprecata ogni volta che gli switch si accendono e si spengono. Il risultato sono alimentatori compatti e multi-uscita che rimangono efficienti anche quando i trasformatori diventano più piccoli.

Gli stadi di potenza GaN integrati sono dispositivi in cui i transistor sono integrati con il driver e la protezione. L'integrazione accorcia gli anelli di cablaggio sensibili, rendendo più facile controllare la commutazione ad alta velocità e spesso semplificando il PCB. Per molti team, questa è la via più rapida verso un design affidabile e ad alta densità.

Affidabilità dei transistor GaN

I primi scettici della tecnologia GaN erano preoccupati per le variazioni dinamiche di RDS(on), i metodi di qualificazione e l'affidabilità a lungo termine del gate. In risposta a queste preoccupazioni, il settore ha standardizzato le pratiche di test e reportistica e pubblica dati sulla durata rilevanti per le applicazioni. Quando valutate i componenti, richiedete condizioni di stress che assomiglino al vostro caso d'uso e cercate qualifiche allineate a linee guida specifiche per il GaN, piuttosto che ai soli test tradizionali per i MOSFET al silicio.

Dal punto di vista di un progettista, esiste una lista di controllo pratica di elementi da verificare o affrontare, che raccomandiamo ai team di ingegneria e approvvigionamento.  

• Adeguatezza della classe di tensione e della topologia. Poiché la maggior parte del GaN attuale è ideale nell'intervallo 100-650 V, ha senso solo in applicazioni che rientrano in tale intervallo. Anche dopo, però, sarà necessario assicurarsi che tutti gli altri parametri soddisfino le proprie esigenze.
• Driver integrato rispetto a driver discreto. Le soluzioni GaN integrate, con driver e protezione inclusi, riducono le parassitarie e il rischio di progettazione. Le soluzioni GaN discrete, d'altra parte, offrono flessibilità e possono offrire più opzioni di package.
• Protezione termica. L'efficienza è superiore rispetto a molte altre tecnologie, ma i package sono più piccoli. Questo rende altrettanto importante convalidare i percorsi termici. Come per tutta l'elettronica, una giunzione più fresca prolunga la durata di vita ed evita sorprese di derating.
• Strategia per le interferenze elettromagnetiche (EMI) - I fronti veloci fanno risparmiare watt ma possono emettere onde elettromagnetiche indesiderate. Prevedete un budget per gli snubber, lo spread-spectrum se possibile, e simulate le correnti di modo comune fin dall'inizio per assicurarvi che il design funzioni correttamente e non superi i requisiti di emissione.
• Catena di approvvigionamento e second-source. Come distributore, siamo fin troppo consapevoli delle difficoltà legate all'approvvigionamento di componenti elettronici. Fortunatamente, con la crescita della domanda di GaN, si è sviluppato un mercato multi-fornitore con più fornitori che producono componenti simili.  

Riepilogo

L'ascesa del nitruro di gallio non è un fenomeno passeggero. È un vantaggio dei materiali tradotto in successi progettuali quotidiani. Per gli ingegneri, sblocca maggiore efficienza, frequenza più elevata e densità di potenza superiore con strumenti e design di riferimento mainstream. Per gli acquirenti, può ridurre il costo di sistema, ridurre dimensioni e peso, e supportare roadmap di efficienza ambiziose. Quando qualificate i vostri componenti, cercate dati di affidabilità specifici per il GaN e confermate la copertura multi-fornitore per ridurre il rischio del vostro piano.