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TECH INSIGHT NEWS TECHNOLOGIES 23 - ELETTRONICA OGGI 473 - OTTOBRE 2018 Una frequenza di commutazione più elevata permette inoltre di progettare soluzioni di conversione di potenza di dimensioni più ridotte. Inoltre, gli interruttori a semiconduttore devono essere soprattutto affidabili e poter essere fabbricati in modo economi- co. L’efficienza energetica, la velocità di commutazione e l’affidabilità degli interruttori di potenza in silicio sono in costante miglioramento da diver- si decenni. Questi dispositivi hanno risolto con successo le questioni le- gate all’efficienza e alla frequenza di commutazione in bassa tensione (in- feriore a 100 volt) o alla tolleranza in alta tensione (IGBT e dispositivi super-junction). Tuttavia, a causa dei limiti del silicio, tutte queste caratteristiche non possono essere disponibili in un singolo FET di potenza al silicio. I transistor di potenza ad ampio bandgap come quelli realizzati in GaN e SiC (carburo di silicio) promettono di offrire un’elevata efficienza, in termini di po- tenza, a tensioni e frequenze di commutazione più alte di quelle tipiche dei MOSFET al silicio. Le opportunità del GaN Un efficiente interruttore ad alta frequenza può contribuire a ridurre le dimensioni dei moduli di potenza da tre a dieci volte, a seconda dell’applicazione, ma richiede una topologia di driver e controller ottimizzata. Il con- vertitore AC/DC totem-pole è una topologia, non realizzabile con il silicio, che può trarre vantaggio dalla bassa “on resitance” del GaN, dalla rapida commutazione e dalla capacità di uscita ridotta per offrire una densità di potenza tre volte superiore. Le architetture risonanti come la commutazione a tensione zero e la commutazione a corrente zero che attenuano le perdite di commutazione e migliorano l’efficienza complessiva possono be- neficiare anch’esse delle caratteristiche di commutazione superiori del GaN. Molte applicazioni richiedono la conversione di potenza da una tensione relativamente alta, pari a centinaia di volt, alle basse tensioni richieste dai componenti del circuito, come i processori. I convertitori di potenza a commutazione con un elevato rap- porto di tensione tra ingresso e uscita presentano efficienze inferiori. Questi blocchi di gestione della potenza prevedono di solito più stadi di conversione. La conversione diretta dal bus intermedio a 54/48 V alla tensione del core del processore può contribuire a ridurre i costi e migliorare l’efficienza. Il GaN, grazie alle sue carat- teristiche di commutazione, è un ottimo candidato per le architetture di conversione diretta. La conversione diretta è attualmente in fase di studio per la gestione dell’alimentazione dei server nelle applicazioni per data center. Inoltre, applicazioni come i driver laser per LIDAR nei veicoli a guida autonoma, la ricarica wireless e il tracciamento dell’inviluppo tramite amplificatori di potenza ad alta efficienza in stazioni base 5G possono trarre vantaggio dall’efficienza e dalla velocità di commutazione della tecnologia GaN. La ridotta perdita di conduzione dei dispositivi di potenza GaN, in combinazione con una frequenza di commutazione più elevata, si traduce in una densità di potenza molto maggiore. La gestione termica e le correnti parassite, invece, non scalano in pro- porzione, pertanto la concentrazione di maggiore potenza in uno spazio più piccolo genera nuove sfide per la dissipazione del calore e per il package. Una minore superficie del die limita l’efficienza delle tecniche di packa- ge tradizionali: la diffusione tridimensionale del calore è quindi un’opzione interessante per i package al GaN. Maggior rispetto per l’ambiente Per interrompere il ciclo legato ai costi e all’adozione di massa, una nuova tecnologia di semiconduttori di potenza deve risolvere alcune delle carenze dei dispositivi richieste nelle applicazioni più interessanti. Nelle applicazioni ad alta tensione, il GaN garantisce una scalabilità della potenza ben maggiore di quella offerta dal silicio. Un in- verter per un motore industriale o un sistema di accumulo dell’energia collegato alla rete elettrica possono trarre enormi vantaggi dalla maggiore densità offerta dai dispositivi al GaN. Il GaN offre ulteriori proprietà uniche e non ancora sfruttate in grado di offrire maggiore valore e nuove opportunità per il futuro della gestione della potenza. La struttura bidirezionale di un dispositivo al GaN, diversamente da un tipico MOSFET a giunzione PN, è in grado di controllare il flusso di corrente con una struttura a doppio gate. Un convertitore a matrice per azionamenti motore è potenzialmente in grado di ridurre il numero di interruttori sfruttando un dispositivo bidirezionale. Inol- tre, i dispositivi al GaN possono funzionare a temperature più elevate rispetto ai dispositivi al silicio, rendendola una scelta interessante per molte applicazioni ad alte temperature, come gli azionamenti per motore integrati. Le implicazioni a lungo termine di tecnologie come il GaN sono notevoli: la minore perdita di potenza significa che non sarà necessario lo stesso numero di centrali elettriche per soddisfare le crescenti richieste di energia. Una maggiore densità di potenza si tradurrà in una maggiore integrazione. I circuiti alimentati a batteria, come quelli dei veicoli elettrici, dei droni e dei robot, potranno funzionare più a lungo e con maggiore efficienza. I data center, con le loro migliaia di server, opereranno in modo più efficiente. Bibliografia White paper Il GaN porta l’efficienza energetica a un nuovo livello. White paper sui processi di alimentazione al GaN e al SiC: Maggiore efficienza degli alimentatori grazie al GaN e al SiC. Nota 1 Power Electronics for Distributed Energy Systems and Transmission and Distribution Applications, ORNL, 2005