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Negli ultimi anni il nitruro di gallio (GaN) è diventato uno dei materiali più promettenti nel settore dell’elettronica di potenza. Inizialmente adottato nei caricabatterie ad alta efficienza per l’elettronica di consumo, oggi il suo impiego si sta estendendo anche agli alimentatori industriali, medicali, scientifici e per data center.
Il motivo è semplice: il GaN consente di realizzare alimentatori più compatti, più efficienti e con minori perdite energetiche rispetto alle tradizionali soluzioni basate sul silicio.
Il tema è approfondito anche in un white paper realizzato da TDK-Lambda, dedicato all’evoluzione delle tecnologie di conversione di potenza e alle applicazioni del GaN negli alimentatori AC/DC.
Negli ultimi cinquant’anni gli alimentatori hanno subito una profonda evoluzione.
Dai tradizionali alimentatori lineari si è passati agli alimentatori switching (SMPS), caratterizzati da maggiore efficienza, dimensioni ridotte e un intervallo di tensione di ingresso più ampio.
Successivamente sono arrivate altre innovazioni, tra cui:
Il GaN rappresenta oggi uno dei passaggi evolutivi più importanti di questa trasformazione, perché interviene direttamente sul cuore della conversione di potenza.
Il Gallium Nitride (GaN) è un semiconduttore a larga banda proibita (Wide Bandgap – WBG).
Rispetto al silicio offre caratteristiche particolarmente interessanti:
Queste proprietà consentono di progettare alimentatori con una maggiore densità di potenza, mantenendo al tempo stesso elevati livelli di affidabilità.
Quando si parla di semiconduttori Wide Bandgap, il GaN non è l’unica tecnologia disponibile.
L’altra grande famiglia è rappresentata dal carburo di silicio (SiC).
Le due tecnologie non sono quindi concorrenti dirette, ma complementari: il GaN eccelle negli alimentatori compatti e ad alta efficienza, mentre il SiC trova impiego soprattutto nelle applicazioni di potenza elevata.
Perché il GaN rende gli alimentatori più efficienti
L’efficienza di un alimentatore non influisce soltanto sui consumi energetici.
Ogni watt disperso viene infatti trasformato in calore, rendendo necessario l’utilizzo di dissipatori, ventole o altri sistemi di raffreddamento.
Per comprendere il fenomeno basta un esempio.
Un alimentatore da 1000 W con rendimento del 75% deve assorbire circa 1333 W, dissipando oltre 330 W sotto forma di calore.
Con un rendimento del 95%, invece, l’assorbimento scende a circa 1053 W e le perdite si riducono a poco più di 50 W.
Minore calore significa:
Uno degli impieghi più interessanti del GaN riguarda i circuiti di Power Factor Correction (PFC).
Negli alimentatori tradizionali la correzione del fattore di potenza avviene tramite ponti raddrizzatori e MOSFET al silicio.
Grazie ai transistor GaN è invece possibile adottare architetture bridgeless totem-pole PFC, che riducono le perdite di conversione e aumentano ulteriormente l’efficienza.
Il white paper TDK-Lambda mostra anche uno schema di questa topologia, mettendo in evidenza come la sostituzione di parte dei diodi con dispositivi GaN contribuisca a semplificare il percorso della corrente e a ridurre le perdite.
L’adozione del nitruro di gallio è particolarmente interessante nei settori dove spazio, efficienza e affidabilità rappresentano fattori critici.
Tra le principali applicazioni troviamo:
In tutti questi casi la possibilità di ridurre dimensioni e dissipazione termica può tradursi in un vantaggio concreto sia progettuale sia economico.
Sebbene il GaN venga spesso associato ai caricabatterie USB-C di ultima generazione, le sue applicazioni stanno aumentando rapidamente anche nel settore industriale.
Oggi questa tecnologia è utilizzata in:
La maggiore efficienza consente infatti di ridurre dimensioni e dissipazione termica senza compromettere l’affidabilità.
L’impiego del GaN non è soltanto un concetto teorico, ma trova già applicazione in numerosi prodotti commerciali. Un esempio è rappresentato dalla serie PFH500F di TDK-Lambda, sviluppata per aumentare efficienza e densità di potenza negli alimentatori AC/DC.
L’obiettivo era migliorare la precedente piattaforma PFE500F, aumentando efficienza e densità di potenza senza incrementare le dimensioni del modulo.
Secondo i dati riportati dall’azienda, l’introduzione del GaN ha consentito di ottenere:
Questi valori si riferiscono naturalmente alla specifica piattaforma sviluppata da TDK-Lambda e rappresentano un esempio concreto delle potenzialità offerte dalla tecnologia GaN.
Come ogni nuova tecnologia, anche il GaN presenta alcune criticità che richiedono particolare attenzione.
Tra gli aspetti più importanti figurano:
Negli ultimi anni, tuttavia, l’aumento dei volumi produttivi e la crescente esperienza dei progettisti stanno contribuendo a ridurre progressivamente questi limiti.
Probabilmente no.
Il silicio rimane ancora oggi la soluzione più conveniente per moltissime applicazioni, soprattutto quando:
Il GaN viene invece scelto quando progettisti e costruttori cercano maggiore efficienza, alimentatori più compatti oppure una densità di potenza superiore.
Per questo motivo, almeno nel medio periodo, le due tecnologie continueranno probabilmente a convivere.
L’aumento dell’efficienza energetica non rappresenta soltanto un vantaggio economico.
Alimentatori più efficienti significano infatti:
Non è un caso che l’interesse verso il GaN stia crescendo parallelamente all’introduzione di normative sempre più orientate all’efficienza energetica, una tendenza che il white paper TDK-Lambda evidenzia come uno dei principali fattori di sviluppo futuro della tecnologia.
L’evoluzione dell’elettronica di potenza sta spingendo progettisti e costruttori verso soluzioni sempre più efficienti, compatte e affidabili. Grazie alle caratteristiche del nitruro di gallio (GaN), oggi è possibile realizzare alimentatori con una maggiore densità di potenza, minori perdite energetiche e una gestione termica più efficace, rispondendo alle esigenze di settori sempre più orientati all’efficienza e alla sostenibilità.
Pur non sostituendo completamente il silicio, il GaN rappresenta una delle tecnologie più promettenti per la progettazione dei sistemi di alimentazione di nuova generazione, con applicazioni che spaziano dall’industria al medicale, fino ai data center e alle telecomunicazioni.
Darton, distributore ufficiale TDK-Lambda, mette a disposizione un’ampia gamma di alimentatori AC/DC e DC/DC per applicazioni industriali, medicali e ad alte prestazioni, oltre a un supporto tecnico qualificato per individuare la soluzione più adatta alle specifiche esigenze progettuali.
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