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POWER GAN 35 - ELETTRONICA OGGI 484 - MARZO 2020 Gli adattatori a ricarica veloce che operano con livelli di potenza compreso tra 45 e 65 W potranno trarre notevoli vantaggi dall’uso di convertitori flyback ad aggancio attivo basati su GaN, mentre i convertitori LLC realizzati con questo materiale sono utilizzati ne- gli adattatori di potenza da 150 a 300 W destinati a notebook di fascia alta impiegati, ad esempio, nelle ap- plicazioni di gaming. In quest’ultimo caso, l’adozione della tecnologia GaN permette di raddoppiare la den- sità di potenza, consentendo quindi di ridurre peso e dimensioni degli adattatori stessi. Per il trasformatore di potenza, ad esempio, al posto di un nucleo di ferrite RM10 si potrebbe utilizzare un nucleo RM8 a basso profilo oppure ricorrere a un trasformatore planare. In molte applicazioni è quindi possibile raddoppiare, se non addirittura triplicare, la densità di potenza, che può arrivare anche a 30 W/in 3 . Nelle applicazioni ad alta potenza, come nel caso de- gli alimentatori impiegati per fornire potenza a ser- ver, apparati cloud e sistemi di telecomunicazione e in particolar modo per quel- li basati su uno stadio PFC (power Factor Correction) di tipo totem pole, l’impiego di dispositivi GaN permet- te di ottenere livelli di effi- cienza superiori al 99%. Ciò consente a questi sistemi di soddisfare tutte le principa- li (e particolarmente severe) normative definite dagli standard che governano l’efficienza come ad esempio quelle previste dalla certificazione 80+ Titanium. L’importanza del pilotaggio Il metodo utilizzato per pilotare i dispositivi GaN riveste un ruolo fondamentale per la protezione dell’ossido di gate, uno strato isolante che risulta essere relativamente sensibile. In particolar modo è importante fornire un’am- piezza del segnale di pilotaggio del gate regolata in modo preciso durante l’accensione (turn ON) del dispositivo. Per conseguire tale obiettivo è possibile aggiungere un regolatore LDO (Low Drop-Out) a un circuito per il pilo- taggio del gate di un MOSFET in silicio. Una soluzione di questo tipo potrebbe però compromettere le prestazio- ni del circuito di pilotaggio, per cui sarebbe preferibile ricorrere a driver in configurazione a semiponte (half bridge) espressamente progettati per pilotare dispositivi GaN. Più in dettaglio, il tempo di propagazione (tipico) di un driver per MOSFET in silicio si aggira attorno ai 100 ns, quindi non risulta adatto per il pilotaggio di di- spositivi GaN che operano a velocità comprese tra 500 kHz e 1 MHz. In presenza di questi valori di velocità, il ritardo di propagazione non dovrebbe superare 50 ns. A causa delle capacità più ridotte, tra il drain e il source dei dispositivi GaN si potrebbe verificare uno slew rate (in pratica la variazione) della tensione di valore elevato. Un fenomeno di questo tipo potrebbe portare a guasti prematuri, se non addirittura catastrofici, del dispositi- vo, specialmente nelle applicazioni ad alta potenza. Per evitare problemi di questo tipo devono essere garantiti elevati livelli d’immunità rispetto a dV/dt, ovvero alla ve- locità di variazione della tensione in funzione del tempo (dell’ordine di 100 V/ns). Poiché la scheda PCB (e più precisamente il materiale con cui è realizzata) può avere un effetto sulle prestazioni dei progetti che prevedono di- spositivi GaN, spesso si adot- tano tecniche comunemente utilizzate per realizzare layout di circuiti RF. Per il circuito di pilotaggio del gate è inol- tre consigliabile ricorrere a package a bassa induttanza (come ad esempio package PQFN). NCP51820 di ON Semicon- ductor (Fig. 2) è il primo cir- cuito di pilotaggio del gate di tipo half bridge espressa- mente ideato per l’utilizzo con la tecnologia GaN. Tra le ca- ratteristiche principali da se- gnalare, una tensione di pilotaggio del gate di 5,2 V e un ritardo di propagazione di soli 25 ns. L’elevata immunità alla velocità di variazione della tensione (fino a 200 V/ns) e la disponibilità di un package PQFN a bassa induttanza completano il profilo del dispositivo. Gli adattatori di alimentazione USB con funzionalità PD (Power Delivery) a ricarica veloce e a basso consumo e gli adattatori ad alta potenza per computer laptop desti- nati ad applicazioni di gaming sono le applicazioni che hanno contribuito nella fase iniziale alla crescita e alla diffusione della tecnologia GaN. Questo è imputabile in primo luogo alla disponibilità di controllori e circuiti di pilotaggio in grado di supportare applicazioni di questo tipo che richiedono elevate frequenze di commutazione, riducendo in tal modo I tempi di progettazione. È altre- sì verosimile un’ulteriore espansione dell’utilizzo della tecnologia GaN nel momento in cui saranno disponibili circuiti di pilotaggio, controllori e moduli per applicazio- ni che richiedono potenze più elevate, come ad esempio server, apparati cloud e sistemi per telecomunicazioni. Fig. 2 – Il circuito per il pilotaggio del gate a semiponte da 650 V NCP51820 ad alte prestazioni di ON Semiconductor per commutatori di potenza realizzati in tecnologia GaN