Non sottovalutate i vantaggi termici degli alimentatori GaN ad alta efficienza

Quando si tratta di scegliere alimentatori c.a./c.c. fuori scheda per nuove applicazioni, i progettisti spesso optano per componenti a base di silicio (Si) nonostante le proprietà elettriche e l'efficienza superiori delle alternative a base di nitruro di gallio (GaN). Ciò potrebbe essere dovuto alla convinzione di lunga data sul rapporto costi/benefici o al fatto che è stata per molto tempo la scelta abituale. In tal modo però, i progettisti potrebbero sottovalutare i ridotti requisiti di raffreddamento delle opzioni basate su GaN.

I semiconduttori Si sono stati il pilastro dell’industria elettronica sin dalla seconda metà del XX secolo. Il GaN è stato sintetizzato negli anni '30 ma ci è voluto molto più tempo per guadagnare favore, con la prima applicazione generale nei diodi emettitori di luce all'inizio degli anni '90 e un uso più ampio dopo che è diventato commercialmente fattibile produrre transistor GaN come alternative al transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET).

Tuttavia, il Si ha continuato a dominare il settore degli alimentatori c.a./c.c. Utilizzando processi di produzione più consolidati, i fornitori potrebbero fornire più transistor in silicio rispettando i vincoli di costo dei progettisti, ma i componenti basati su Si stanno incontrando limitazioni prestazionali e termiche, aprendo la strada alle alternative GaN.

Con una maggiore mobilità degli elettroni e un ampio bandgap, gli alimentatori che utilizzano GaN possono funzionare a frequenze più elevate con maggiore efficienza e in fattori di forma più piccoli.

Vantaggi del GaN negli alimentatori

I transistor GaN presentano una resistenza e perdite di commutazione inferiori rispetto ai transistor Si, infatti operano più velocemente e sprecano meno energia. Hanno una migliore conducibilità termica e possono funzionare a temperature più elevate rispetto ai transistor al silicio. Ciò riduce la necessità di componenti di raffreddamento ingombranti e rumorosi come dissipatori di calore, telai o ventole.

La riduzione dei componenti migliora l'affidabilità e consente unità di potenza più compatte che possono far risparmiare spazio prezioso nei progetti destinati a nuove applicazioni. Unità di potenza più piccole e più affidabili sono adatte per un'ampia gamma di applicazioni che richiedono soluzioni di alimentazione ad alte prestazioni e a basso rumore.

Gli alimentatori c.a./c.c. fuori scheda basati su GaN sono idonei per applicazioni quali:

• Dispositivi medici dove gli alimentatori devono essere efficienti, affidabili e silenziosi
• Apparecchiature industriali per utilizzo durevole, flessibile e in condizioni difficili come nei robot, nei sistemi di sensori o di controller
• Prodotti elettronici consumer per l'alimentazione di dispositivi veloci, leggeri e portatili
• Sistemi di gioco con alimentatori, console e visori per realtà virtuale coinvolgenti e immersivi

Diversi alimentatori GaN dei marchi Bel

Bel Power Solutions, controllata da Bel Fuse, Inc., ha continuato ad ampliare la sua offerta di alimentatori c.a./c.c. basati su GaN a marchio EOS Power e CUI, Inc., sempre del gruppo Bel. Questi marchi forniscono un portafoglio di alimentatori che utilizzano la tecnologia GaN per ottenere una maggiore densità di potenza e una migliore efficienza rispetto ai loro equivalenti MOSFET al silicio.

EOS è rinomata per i suoi alimentatori ultraminiaturizzati. EPG300/MEPG300 (Figura 1) e EPG500/MPEG500 sono stati studiati per applicazioni che richiedono una perdita di potenza minima e una facile gestione termica, come applicazioni RF, sistemi 5G e controllo dei processi industriali.

Figura 1: Il fattore di forma degli alimentatori EPG300 e MEPG300. (Immagine per gentile concessione di EOS Power)

Entrambi gli alimentatori c.a./c.c. EPG300 e MEPG300 sono disponibili in sei tensioni a uscita singola che vanno da 12 V a 58 V, con efficienza fino al 94%. EPG300-1312, ad esempio, è un alimentatore a telaio aperto, uscita a 12 V, con dimensioni di 101,6 x 50,8 x 37,3 mm.

MEPG300-1312 e altri modelli di quella linea sono progettati specificamente per applicazioni mediche, inclusi letti ospedalieri, apparecchiature per l'imaging, dispositivi di monitoraggio, dispositivi chirurgici e apparecchiature diagnostiche. Sono costruiti secondo gli standard medici più recenti (EN/IEC 60601-1) e dispongono di opzioni di isolamento 2 MOPP per applicazioni di Classe I.

Gli alimentatori c.a./c.c. EPG500 e MEPG500 (Figura 2) forniscono fino a 500 W di potenza di uscita regolata su un ampio intervallo di ingresso compreso tra 90 V c.a. e 264 V c.a. Sono entrambi disponibili in sei tensioni a uscita singola che vanno da 12 V a 58 V, con dimensioni di 127 x 76,2 x 40 mm.

Figura 2: Il fattore di forma dell'alimentatore EPG500/MEPG 500. (Immagine per gentile concessione di EOS Power)

Gli alimentatori c.a./c.c. da banco da 120 e 300 W basati su GaN serie SDI120-U, SDI300G-U e SDI300G-UR di CUI sono progettati per una grande varietà di applicazioni industriali e per prodotti consumer portatili.

L'alimentatore da banco basato su GaN SDI120G-24-U-P51 di CUI (Figura 3), con uscita a 24 V, misura 132 x 51 x 32 mm. Può fornire fino a 120 W di potenza continua e soddisfa gli standard di efficienza Livello VI del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Figura 3: L'alimentatore da banco SDI120G-24-U-P51. (Immagine per gentile concessione di CUI, Inc.)

SDI300G-48-U2-P219 è adatto per numerose applicazioni che richiedono una soluzione di alimentazione c.a./c.c. ad alta potenza, efficiente e compatta. Misura 183 x 85 x 35 mm e offre un'uscita di 48 V a 6,25 A (max).

La serie CUI SDI300G-UR è certificata IEC Classe II, con ingresso a tre lamelle (C18). Le serie SDI300G-U (Figura 4) e SDI120G-U hanno l'ingresso a due lamelle (C14).

Figura 4: Il fattore di forma della serie di alimentatori c.a./c.c. da banco a due lamelle SDI300G-UR di CUI. (Immagine per gentile concessione di CUI, Inc.)

Conclusione

Dato che i produttori richiedono costantemente soluzioni di alimentazione più compatte ed efficienti, la tecnologia GaN rappresenta un'opzione sempre più interessante per le nuove applicazioni elettroniche, anche nei settori dell'elettronica consumer, delle telecomunicazioni e automotive. I marchi Bel offrono ai progettisti una vasta gamma di opzioni per applicazioni che richiedono una conversione di potenza c.a./c.c. affidabile, efficiente e compatta, con in più i vantaggi di raffreddamento.

Riferimenti:

1 – https://www.edn.com/a-brief-history-of-gallium-nitride-gan-semiconductors/