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EO LIGHTING - NOVEMBRE/DICEMBRE 2022 XXVIII maggiore di energia per eccitare un elettrone e farlo passare dalla parte superiore della banda di valenza alla parte inferiore della banda di conduzione, dove può essere utilizzato nel circuito. L’aumento del band- gap, quindi, ha un grande impatto su un dispositivo (e consente di ridurre le dimensioni del die per svolgere lo stesso lavoro). Materiali come il nitruro di gallio (GaN), che hanno un bandgap più ampio, possono sopportare campi elettrici più intensi. Gli attributi critici che i ma- teriali ad ampio bandgap possiedono sono un’elevata velocità degli elettroni liberi e una maggiore densità di campo. Questi attributi chiave rendono gli interruttori GaN fino a 10 volte più veloci e significativamente più piccoli, a parità di resistenza e tensione di rottura di un analogo componente in silicio. Il GaN è ideale per le applicazioni LED ad alta tensione, in quanto questi at- tributi chiave lo rendono perfetto per l’uso nelle future applicazioni di illuminazione. La figura 1 mostra un’architettura di alto livello di un’applicazione di illuminazione a LED che servirà come esempio per l’applicazione della tecnologia GaN ad ampio bandgap. Sebbene i materiali ad ampio ban- dgap possano essere implementati in tutte le applica- zioni, il generatore di corrente buck ad alta tensione, evidenziato in verde, sarà il punto centrale per sfrut- tare la tecnologia ad ampio bandgap per massimizzare l’efficienza e la densità di potenza. La maggior parte delle applicazioni di illuminazione richiede un fattore di potenza elevato e una bassa distorsione armonica in un ampio intervallo della tensione di ingresso in c.a. In questo caso, è preferibile implementare un boost PFC per fornire un ingresso “pulito” a 400 V c.c. per il driver LED e soddisfare i requisiti di qualità dell’alimentazio- ne. Esistono diverse opzioni per un convertitore boost PFC front-end: modalità di transizione (TM – Transi- tion Mode), modalità di conduzione continua (CCM – Continuous Conduction Mode) e altre ancora. La moda- lità di transizione è caratterizzata dal funzionamento a frequenza variabile e dalla commutazione a corrente zero all’accensione del MOSFET di potenza. Altri van- taggi sono la semplicità di progettazione, le dimensio- ni compatte dell’induttore e l’assenza di recupero in- verso del diodo di boost. Le principali problematiche sono rappresentate dall’elevata corrente (di picco e RMS) in ingresso, che comporta anche la necessità di ricorrere a un filtro EMI più grande all’aumentare della potenza. La modalità di conduzione continua, invece, prevede un funzionamento a frequenza fissa. La cor- rente dell’induttore boost ha sempre una componente media, oltre a punti di attraversamento in prossimità dello zero. L’induttore è progettato per un’ondulazione (ripple) del 20-30%, il che comporta una riduzione del- le dimensioni del filtro EMI rispetto al funzionamento TM. Ciò significa anche un induttore boost più grande e un filtro EMI più piccolo a parità di potenza di uscita rispetto al funzionamento TM. Le problematiche prin- cipali sono un controllo più complesso e la necessità di un diodo a recupero graduale ultrarapido o di un diodo SiC. Di conseguenza, il PFC CCM è generalmente più costoso di un PFC TM. Idealmente, nei PFC CCM è pos- sibile utilizzare un interruttore a recupero inverso zero al posto del diodo raddrizzatore. Ciò rende i transistor GaN ottimi candidati per questa applicazione. L’isolamento è opzionale e può essere introdotto tra lo stadio di ingresso e il secondo stadio di conversione di potenza. In questo esempio l’isolamento non è utiliz- zato e lo stadio PFC di ingresso è seguito da uno stadio buck inverso non isolato con controllo CC/CV. Nei casi in cui è necessario l’isolamento, è possibile utilizzare un convertitore di potenza risonante (LLC, LCC) o un convertitore flyback, a seconda dei requisiti di potenza in uscita dell’applicazione. Il convertitore boost PFC genera in uscita una tensio- ne di bus c.c. regolata (superiore al picco della tensione c.a. in ingresso) e trasferisce questa tensione di bus c.c. più elevata allo stadio del convertitore buck invertito. L’operazione di stepdown è piuttosto semplice. Quando l’interruttore del buck è acceso, la tensione dell’indut- tore è la differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita (V IN - V OUT ). Quando l’interruttore è spento, il diodo di cattura raddrizza la corrente e la tensione dell’indutto- re è uguale alla tensione di uscita. System-in-Package (SiP) MasterGaN per driver LED Oltre alla densità di potenza e all’efficienza, una gran- de criticità per le applicazioni di illuminazione ad alta tensione è la complessità del progetto. Con l’uso di se- miconduttori ad ampio bandgap come il GaN, è possi- bile aumentare la densità di potenza e l’efficienza del circuito. La famiglia MasterGaN di ST affronta questa sfida combinando in un unico contenitore i gate dri- ver di processo BCD ad alta tensione con alimentazione intelligente a transistor GaN ad alta tensione. Master- GaN assicura una facile implementazione della topo- logia illustrata nella figura 1. Incorpora due transistor HEMT GaN da 650 V in configurazione a semiponte e i gate driver. In questo esempio, l’intero stadio di po- tenza buck è integrato in un singolo contenitore QFN da 9 x 9 mm che richiede un numero minimo di com- ponenti esterni. Anche il diodo bootstrap, tipicamen- te necessario per alimentare la sezione isolata ad alta Lighting