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COVERSTORY 14 - ELETTRONICA OGGI 493 - APRILE 2021 Gli interruttori al GaN offrono ai progettisti il miglioramento più notevole dell’efficienza della conversione di potenza off-line dall’introduzione del raddrizzamento sincrono Chris Lee Product Marketing Manager Power Integrations NELLA CONVERSIONE TUTTI I VANTAGGI S ono sicuramente tempi molto interes- santi per chi opera nel settore dell’elet- tronica di potenza. La comparsa dei FET al nitruro di gallio (GaN) offre il miglioramento più notevole dell’efficienza della conversione di potenza off-line da quando è stata introdot- to il raddrizzamento sincrono. Ora è possibile ottenere per gli alimentatori flyback off-line un’efficienza prossima a quella delle topologie con ponte a onda intera e LLC a livelli di po- tenza sino a 100 W. Il GaN dà ai progettisti un nuovo potente strumento da usare nelle fasi di sviluppo di alimentatori flyback off-line ad alta efficienza e dal costo contenuto per soddisfare gli standard più recenti sull’efficienza. Un convenzionale convertitore flyback al si- licio ad alta efficienza può erogare potenza con un’efficienza di conversione pari a circa il 93,5%, che può essere aumentata al 94,5% sostituendo l’interruttore al Si con uno al GaN adatto (Fig. 1). Un aumento dell’1% dell’efficienza: un balzo significativo Anche se l’incremento può sembrare percen- tualmente basso, non bisogna dimenticare che corrisponde a una riduzione del 18% della ge- nerazione di calore, per cui non è più neces- sario impiegare un dissipatore o un diffusore. Il progettista può così ridurre le dimensioni dell’alimentatore e aumentarne l’affidabilità perché le temperature massime dei compo- nenti sono più basse. Inoltre, i dispositivi al GaN sono più affidabili di quelli al Si e quin- di aumenta ulteriormente l’affidabilità dell’ali- mentatore. Come gli interruttori al GaN riducono le perdite Le perdite totali in un interruttore a semicon- duttore sono una combinazione di perdite per conduzione – dovute a R DS(on) – perdite du- rante le transizioni dell’interruttore e perdite di commutazione capacitive. La relazione ge- nerale fra le perdite dovute a R DS(on) e le per- dite di commutazione è che quelle dovute a R DS(on) sono inversamente proporzionali, men- tre quelle di commutazione sono direttamente proporzionali alle dimensioni. I dispositivi realizzati con semiconduttori ad ampio band-gap, come il GaN, presentano per- dite di commutazione e valori di R DS(on) per dimensioni unitarie notevolmente inferiori ri- spetto ai dispositivi al silicio (Fig. 2). Queste perdite intrinsecamente inferiori risultano dalle proprietà fisiche fondamentalmente di- verse del canale di conduzione nel GaN ri- spetto al Si. Ne consegue che un dispositivo al GaN più piccolo può tollerare una quantità di potenza equivalente a quella di un dispo- sitivo al Si più grande. Inoltre, i dispositivi al GaN presentano capacità parassite inferiori e quindi richiedono una potenza inferiore per comandare altri dispositivi, aumentando ulte- riormente il vantaggio, in termini di efficienza, derivante dall’uso del GaN. Le perdite di tran- sizione dell’interruttore (il tempo necessario affinché l’interruttore cambi stato) sono pure notevolmente ridotte perché una caratteristica dei dispositivi al GaN è che commutano molto velocemente. Frequenza di commutazione – più alta è sempre meglio? Perdite di commutazione inferiori per transi- zione fanno sì che un transistor al GaN possa commutare a frequenze molto più alte rispetto a un dispositivo al silicio convenzionale con perdite di commutazione identiche. Mentre è sempre possibile utilizzare frequenze di com- mutazione più alte, non sempre ciò può garan- tire l’uso migliore dei vantaggi del GaN, perché