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POWER GAN 34 - ELETTRONICA OGGI 484 - MARZO 2020 L a densità di potenza è uno dei parametri chiave in tutte le applicazioni di elettronica di potenza e ciò è dovuto, in misura non trascurabile, alla ne- cessità di garantire maggior efficienza e frequenze di commutazione più elevate. Nel momento in cui l’evolu- zione della tecnologia tradizionale basata su silicio sta raggiungendo i propri limiti, i progettisti stanno volgen- do la loro attenzione sui semiconduttori WGP (ad ampio bandgap) come il nitruro di gallio (GaN) per poter svi- luppare soluzioni in grado di soddisfare le loro esigenze. A differenza di quanto accade solitamente nel caso di utilizzo di una nuova tecnologia, il GaN ha un costo inferiore rispetto a quello del silicio, ovvero della tec- nologia che è destinato a sostituire. I dispositivi GaN sono prodotti nelle stesse fabbriche nelle quali sono realizzati i dispositivi in silicio e utilizzano le medesime procedure di produzione. Poiché i dispositivi GaN sono più piccoli rispetto a quelli in silicio, è possibile otte- nere un maggior numero di dispositivi per wafer, con conseguente riduzione del costo individuale. In termini di prestazioni, il GaN offre numerosi vantag- gi tra cui una mobilità degli elettroni molto maggiore rispetto a quella del silicio (3,4 eV contro 1,1 eV) che si traduce nella possibilità di condurre gli elettroni con un’efficienza che può essere superiore di un fattore pari a 1.000 rispetto al silicio. Ancora più importante il fatto che la carica di gate (Q G ) è inferiore nei dispositi- vi GaN e, poiché deve essere reintegrata durante ogni ciclo di commutazione, essi sono in grado di operare a frequenze massime di 1 MHz senza alcuna penalizza- zione in termini di efficienza, mentre per i dispositivi in silicio il limite si aggira intorno a 100 kHz (Fig. 1). A differenza di quel che accade per i dispositivi in silicio, in quelli realizzati utilizzando il GaN non è presente il diodo intrinseco (body diode) e il gas di elettroni bi- dimensionale (2DEG) che si forma nell’eterostruttura AlGaN/GaN può condurre la corrente nella direzione inversa (fenomeno noto come funzionamento nel terzo quadrante). Di conseguenza nei dispositivi GaN non è presente la carica di recupero inversa (Q RR ), ragion per cui risultano particolarmente adatti nelle applica- zioni “hard switching”. Nei dispositivi GaN l’effetto valanga è limitato mentre la sensibilità alle sovratensioni è maggiore rispetto a quella dei dispositivi in silicio: essi quindi si propon- gono come i candidati ideali per l’uso nelle topologie a semiponte dove la tensione tra drain e source (V DS ) è agganciata alla tensione del terminale (rail). L’assenza di un diodo intrinseco rende i dispositivi GaN partico- larmente adatti per l’uso in circuiti PFC in configura- zione totem pole di tipo “hard switching” come pure in applicazioni ZVS (Zero Voltage Switching - commuta- zione a tensione nulla), tra cui convertitori LLC riso- nanti e flyback ad aggancio attivo. Progetti di sistemi di potenza: il GaN è pronto a sostituire il silicio Yong Ang Strategic Marketing Director ON Semiconductor Grazie alle sue caratteristiche, tra cui la possibilità di realizzare dispositivi operanti a frequenze di commutazione più elevate e di ottenere livelli di efficienza maggiori, il nitruro di gallio viene impiegato in misura sempre più massiccia nello sviluppo di sistemi per applicazioni ad alta potenza Fig. 1 – Con i dispositivi GaN è possibile ottenere una maggiore velocità di commutazione