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Power
POWER 14 -
SETTEMBRE 2017
L’invenzione, nel 1959, del MOSFET
(transistor a effetto di campo a semi-
conduttore ossido metallico) da par-
te di Dawon Kahng e Martin Atalla,
ricercatori presso i Bell Labs, segnò
un punto di svolta nel campo dell’e-
lettronica di potenza. Il primo MOSFET
commerciale venne messo in produzione cinque anni
dopo. Da allora, diverse generazioni di transistor MO-
SFET hanno consentito la realizzazione di progetti di
potenza caratterizzati da livelli di prestazioni e di den-
sità che non era possibile ottenere con i loro predeces-
sori bipolari.
Questi progressi, tuttavia, hanno cominciato a subire
un certo rallentamento negli ultimi anni, creando un
vuoto che poteva essere colmato solamente con l’intro-
duzione di una nuova tecnologia innovativa.
A questo punto entra in gioco un nuovo materiale se-
miconduttore, il nitruro di gallio (GaN). Essendo una
tecnologia in grado di assicurare un ampio bandgap
(WBG – Wide Band Gap), il GaN si propone come
un’alternativa capace di garantire il raggiungimento di
nuovi livelli di prestazioni e di efficienza nei sistemi di
elettronica di potenza. I vantaggi legati al GaN apro-
no nuove opportunità per i progettisti che possono ri-
definire il concetto di densità di potenza e soddisfare
una richiesta di potenza in continuo aumento. Scopo
di questo articolo è evidenziare le potenzialità offerte
dal GaN.
GaN: il perché di una scelta
Un materiale come il GaN offre diversi vantaggi e ri-
spetto ai tradizionali MOSFET in silicio dal punto di
vista della densità di potenza, tra cui:
R
DS (on)
più bassa:
come si evidenzia dalla tabella 1,
il GaN è caratterizzato da un valore di RDS(on) pari
alla metà di quello di un MOSFET, che si traduce in
una riduzione del 50% delle perdite per conduzione
nel circuito. Ciò permette di utilizzare dissipatori di ca-
lore più piccoli e semplificare la gestione termica dei
progetti.
Tabella 1 – Confronto tra i valori di RDS(on)
Mosfet
GaN
R
DS (on)
– area metric
14-18 m -cm
2
6-9 m -cm
2
Carica del gate e di uscita inferiori:
in un dispositivo
GaN la carica di gate è inferiore. Nel caso di un tipico
dispositivo di media tensione la carica di gate è pari a
circa 1 nC rispetto ai 4 nC dei MOSFET (Tab. 2). Una
carica del gate minore consente di sviluppare proget-
ti contraddistinti da tempi di innesco (turn on) e slew
rate migliori, a fronte di una riduzione delle perdite.
Tabella 2 – Confronto tra la carica di uscita
Mosfet
GaN
Gate charge
~4 nC-
~1-1.5 nC-
Output charge
~25 nC-
~5 nC-
Analogamente, in un dispositivo GaN la carica di uscita
è sensibilmente minore (si faccia sempre riferimento
alla Tab. 2), il che comporta un duplice vantaggio. In
primo luogo, le perdite di commutazione risultano dra-
sticamente ridotte (in una percentuale che può arriva-
re all’80%): tale caratteristica, abbinata alle minori per-
dite di conduzione, ha un impatto sicuramente positivo
sulla densità di potenza.
In secondo luogo, il progetto può essere fatto funzio-
nare a frequenze di commutazione molto elevate, su-
periori di un fattore fino 10 volte, a seconda della to-
pologia e dell’applicazione. Ciò contribuisce a ridurre
le dimensioni della componente magnetica, nonché la
Maggiore densità di potenza
grazie al GaN
L’impiego di dispositivi che utilizzano come materiale semiconduttore il nitruro di gallio
permette lo sviluppo di progetti che abbinano a una maggiore densità di potenza,
velocità più elevate, minori consumi e dimensioni inferiori rispetto a quelli ottenibili
adottando i tradizionali MOSFET
Texas Instruments