Il GaN porta l’efficienza energetica a un nuovo livello

Settantatré miliardi di kilowattora di energia, ossia l’esorbitante quantità di 73.000.000.000 di kWh: è la stima dell’energia che verrà consumata dai data center statunitensi nel 2020, secondo uno studio del 2016 del Lawrence Berkeley National Laboratory [1]. Finché il nostro appetito di servizi dati ad alta intensità di calcolo continuerà ad aumentare, lo stesso farà la necessità di fornire più energia in meno spazio per gestire questi centri nel modo più efficiente possibile.

E questo utilizzo riguarda i soli data center. La stessa necessità di alimentazione per sistemi ad alta densità è presente anche nelle telecomunicazioni, nell’automazione industriale, nei veicoli e in numerosi altri sistemi.

Un mezzo per aumentare l’efficienza nella fornitura di energia è sfruttare le nuove tecnologie dei semiconduttori di potenza, tra cui il nitruro di gallio (GaN). Il GaN possiede proprietà intrinsecamente superiori come dispositivo, legate alle prestazioni di commutazione, rispetto alle soluzioni tradizionali al silicio che, quando vengono installate in un alimentatore switching, portano l’efficienza dell’alimentazione a un livello superiore rispetto a quanto possibile in precedenza. Dal punto di vista dell’utente finale, ciò consente di risparmiare energia, ridurre i costi operativi e diminuire la quantità di carbonio rilasciata nell’atmosfera.

Il GaN non è immune alle problematiche che, storicamente, sono state legate alla produzione e alla capacità di fornire GaN di alta qualità e affidabilità. Tuttavia, poiché i processi di produzione in tutto il settore stanno migliorando e l’adozione di tale tecnologia è in aumento, le problematiche sono passate alla fase di attuazione e progettazione del sistema. Ottenere una maggiore efficienza richiede molto più del semplice passaggio dal silicio al GaN, in quanto la tecnologia consente anche cambiamenti a livello del sistema che aumentano anche l’efficienza. La tecnologia consente al progettista di aumentare gli slew rate e le frequenze di commutazione, nonché di ridurre al minimo le fonti di perdita di potenza. Queste nuove sfide di progettazione offrono opportunità significative per l’innovazione e la differenziazione del prodotto finale.

Texas Instruments (TI) svolge un ruolo leader nella guida dello sviluppo del GaN e consente ai progettisti di sistemi di utilizzare la nuova tecnologia. Le soluzioni di alimentazione e i progetti di riferimento basati sul GaN di TI si concentrano sul consentire ai progettisti di sistemi di risparmiare spazio e ottenere una maggiore efficienza energetica semplificando al contempo il processo di progettazione. Concentrandosi sulle problematiche di implementazione più impegnative con soluzioni che ottimizzano le prestazioni, TI aiuta i clienti a progettare sistemi efficienti dal punto di vista energetico per tutelare maggiormente l’ambiente in cui viviamo.

Vantaggi della tecnologia GaN e soluzioni negli alimentatori

GaN offre maggiore efficienza e prestazioni superiori negli alimentatori per diversi motivi. Tempi di salita ridotti, resistenza ridotta e bassa capacità al gate e in uscita riducono le perdite di commutazione e consentono un funzionamento a frequenze spesso di un ordine di grandezza più veloci rispetto alle odierne soluzioni basate sul silicio, come mostrato nella Figura 1. La riduzione delle perdite si traduce in una maggiore efficienza di distribuzione dell’energia, nella minore produzione di calore e nella semplificazione delle soluzioni di raffreddamento attivo. Inoltre, il funzionamento ad alta frequenza può avere un impatto positivo sul costo della soluzione riducendo il volume, il peso e il materiale necessario negli elementi magnetici necessari, come trasformatori e induttori.

L’applicazione che beneficia maggiormente dei vantaggi intrinseci del GaN è l’alimentatore switching. L’obiettivo di un alimentatore CA/CC è convertire l’alimentazione di rete CA in una tensione inferiore, che possa alimentare o ricaricare dispositivi elettrici a bassa tensione come telefoni cellulari o personal computer e viene in genere realizzato in più stadi. Il primo stadio di un tipico alimentatore comporta l’alimentazione della linea in CA attraverso uno stadio di correzione del fattore di potenza (PFC) per creare un bus in CC ad alta tensione a 380 V nominali. Nel secondo stadio questa tensione viene quindi convertita a un livello inferiore (spesso 48 V o 12 V) tramite un convertitore CC/CC ad alta tensione. Questi due stadi sono indicati come stadi da CA a CC, solitamente sono ubicati nello stesso posto e forniscono l’isolamento necessario per proteggere apparecchiature e personale. L’uscita a 12 V o 48 V del secondo convertitore viene distribuita ai circuiti di utilizzo finale nei diversi punti di carico (POL), ad esempio le diverse schede nella custodia di un’apparecchiatura. Il terzo stadio del convertitore è dove uno o più stadi da CC a CC generano le basse tensioni richieste dai componenti elettronici.

Figura 1. Confronto tra le perdite del dispositivo nel GaN rispetto al Si.

Figura 2. In tutti gli stadi dell’alimentatore, le soluzioni GaN possono ridurre la scala e aumentare l’efficienza.

L’esempio di seguito in Figura 2 mostra un CA/CC da 1 kW basato su GaN e come il GaN può migliorare la densità di potenza in tutti e tre gli stadi PFC, CC/CC ad alta tensione e POL. La cosa più importante di questo esempio non è soltanto il fatto che venga usato il GaN, ma soprattutto come viene utilizzato. Gli stadi PFC, CC/CC e POL sono ancora presenti, ma l’implementazione o la topologia dell’alimentatore utilizzate in ciascuno di essi è diversa e ottimizzata per massimizzare le prestazioni del GaN.

Figura 3. Topologia del PFC GaN.

Lo stadio PFC (Figura 3) utilizza una topologia Totem-Pole ad alta efficienza per ottenere una combinazione unica di elevata densità di potenza, elevata efficienza e ridotta perdita di potenza, caratteristiche difficili da ottenere con design simili basati sul silicio. Questo stadio ha un’efficienza superiore al 99%, riducendo quindi la dissipazione di potenza di oltre 10 W rispetto ad un tradizionale PFC boost con bridge a diodo con silicio.

Lo stadio CC/CC ad alta tensione utilizza un convertitore logico risonante (LLC) ad alta efficienza (Figura 4). Anche se è consueto utilizzare il silicio nei convertitori LLC, il vantaggio consentito dal GaN risiede nel miglioramento della densità di potenza del 50% e l’aumento della frequenza di commutazione di un fattore dieci. Un LLC da 1 MHz basato sul GaN richiede un trasformatore di dimensioni inferiori pari a un sesto delle dimensioni di quello richiesto in un progetto per LLC basato su silicio a 100 kHz.

Figura 4. Topologia di LLC GaN

Lo stadio POL sfrutta le efficienti proprietà di commutazione del GaN per rendere possibile un efficiente convertitore hard-switch da 48 V direttamente a 1 V. La maggior parte delle soluzioni di silicio richiede un quarto stadio intermedio per la conversione da 48 V a 12 V, ma il GaN consente una reale conversione a stadio singolo direttamente a 1 V. In questo modo, un design basato sul GaN dimezza il numero dei componenti e aumenta la densità di potenza di un fattore tre (Figura 5).

Figura 5. Due stadi POL in un singolo stadio.

Risposta a una serie di requisiti applicativi

I vantaggi del GaN non si limitano agli alimentatori CA/CC. Numerose altre applicazioni, mostrate in Figura 6, possono beneficiare della maggiore efficienza e della maggiore densità di potenza offerte dal GaN. Le apparecchiature terminali seguenti sono alcuni degli ambiti finali più interessanti in cui l’adozione sta aumentando rapidamente.

 

Figura 6. Ambiti di applicazione effettivi e potenziali del GaN.

Motori e controllo del movimento

Nei motori per la robotica e per altri usi industriali, le dimensioni e l’efficienza energetica sono importanti, ma entrano in gioco anche altri fattori.

L’uso di una soluzione al GaN consente di aumentare le frequenze di modulazione di larghezza di impulso (PWM), mentre le ridotte perdite di commutazione facilitano il pilotaggio di motori a magneti permanenti con induttanza molto bassa e motori CC brushless. Queste caratteristiche, inoltre, minimizzano l’ondulazione della coppia per un posizionamento preciso nei servoazionamenti e nei motori passo-passo, consentendo ai motori ad alta velocità di raggiungere tensioni elevate in applicazioni come i droni.

LiDAR

I requisiti di larghezza sempre più ristretti stanno rapidamente rendendo indispensabili i FET e i driver al GaN per LiDAR, che molti associano al sensing per veicoli a guida autonoma, sebbene siano utilizzati anche per il rilevamento in applicazioni per robotica, droni, sicurezza, mappatura e una gran varietà di altri ambiti. I requisiti della LiDAR di prossima generazione comprendono un maggiore raggio d’azione e una risoluzione maggiore per aumentare la capacità di rilevamento degli strumenti a maggiore distanza e di maggiore efficacia nel riconoscimento degli oggetti. Il basso input e l’elevata capacità del GaN consentono una maggiore potenza di uscita ottica di picco in un impulso più breve, migliorando quindi l’imaging a risoluzione più elevata e mantenendo comunque la sicurezza degli occhi.

Figura 7. Inverter GaN. Progetto a 3 stadi a 100 kHz.

Audio ad alta fedeltà

Gli amplificatori per audio ad alte prestazioni richiedono forme d’onda di commutazione quasi perfette per ridurre la distorsione, poiché le armoniche di qualsiasi frequenza non prevista possono finire nella banda udibile. Il GaN semplifica il superamento di questo ostacolo grazie alla sua capacità di commutare efficientemente a slew rate molto più elevati con un comportamento di commutazione più prevedibile per ridurre la distorsione armonica. Ne conseguono prestazioni audio più vicine all’ideale, in quanto il contenuto di rumore può essere limitato a frequenze più alte e non udibili.

Soluzioni ottimali per la progettazione con il GaN

Poiché la progettazione di sistemi di alimentazione ad alta frequenza presenta sfide del tutto nuove, anche per i progettisti esperti nel campo dell’alimentazione, le soluzioni pronte all’uso possono abbreviare considerevolmente i cicli di progettazione. TI fornisce prodotti completi per lo stadio di potenza che aiutano i progettisti a superare molte di queste difficoltà. Esistono quindi soluzioni per rispondere a diversi livelli di tensione e requisiti nella catena di alimentazione, completati da protezione integrata in package di ingombro ridotto e a bassa induttanza. Inoltre, i driver FET al GaN di TI e i controller analogici e digitali ad alta frequenza che si abbinano perfettamente ai driver aiutano i progettisti che scelgono di costruire il sistema di alimentazione partendo dai componenti di base.

Figura 8. LMG3410: stadio di potenza 600V/70 mΩ 12A GaN.

Lo stadio di potenza monocanale LMG3410, mostrato in Figura 8, abbina un FET GaN da 70 mΩ e 600 V e un driver ottimizzato nello stesso modulo, riducendo al minimo le correnti parassite che possono affliggere i progetti ad alta velocità con componenti autonomi. Le funzioni integrate forniscono protezione da guasto per temperatura, corrente e sottotensione (UVLO) per un funzionamento affidabile e sicuro.

Per i progettisti di applicazioni che richiedono un funzionamento estremamente efficiente in un fattore di forma ridotto, l’LMG5200, mostrato in Figura 9, è uno stadio di potenza half-bridge completamente integrato che fornisce una soluzione a 80 V e 10 A comprendente un driver del gate half-bridge e FET GaN per high side e low side. L’LMG5200 si interfaccia direttamente con entrambi i controller analogici come il TPS53632G di TI per applicazioni di conversione CC/CC e controller digitali come i microcontroller in tempo reale C2000TM di TI per applicazioni di controllo audio e motore.

Figura 9. LMG5200: stadio di potenza a 80 V/10 A GaN half-bridge.

Quasi altrettanto importante come i prodotti stessi in termini di semplificazione del design è una serie completa di strumenti di sviluppo. I moduli di valutazione (EVM) aiutano i progettisti a vedere in funzione le loro soluzioni e a prendere decisioni importanti. I progetti di riferimento forniscono circuiti collaudati e pronti all’uso per applicazioni quali radar, automotive, gruppi di continuità (UPS), controllo motore, misurazione della corrente e altri ambiti. Un supporto approfondito in tutte le regioni contribuisce a rendere la progettazione del cliente dei sistemi di alimentazione GaN il più produttiva possibile.

Il GaN del futuro è già tra noi

La tecnologia GaN svolge già un ruolo importante nel ridurre le dimensioni dei sistemi e aumentare l’efficienza energetica. I risparmi che ne derivano hanno un effetto importante in tutte le applicazioni, in particolare i data center, le stazioni base e altri sistemi ad alta densità. Inoltre, il funzionamento ad alta frequenza del GaN favorisce un preciso controllo del motore e una maggiore risoluzione per LiDAR e audio. Altri tipi di applicazioni seguiranno presto, mentre nuove e innovative metodologie verranno inventate e adottate.

I progettisti dei sistemi di alimentazione non devono più attendere l’inizio della rivoluzione GaN. Le soluzioni GaN sono già tra noi e gli sforzi continui di TI per essere leader nell’innovazione tecnologica fa sì che ulteriori progressi siano in fase di sviluppo. Le soluzioni integrate consentono di risparmiare tempo di sviluppo e sono pronte per l’uso, insieme a progetti di riferimento per una gamma di applicazioni in costante crescita. Poiché la necessità di efficienza energetica si fa sempre più pressante, la tecnologia e le soluzioni di TI continuano ad essere tra le innovazioni principali che contribuiscono a rendere il mondo più intelligente e più verde.

Risorse correlate:

• Soluzioni GaN LMG3410 e LMG5200 GaN di TI
• Cartella prodotto TPS53632G
• MCU TMS320C2000 C2000 in tempo reale
• White paper: Maggiore efficienza degli alimentatori grazie al GaN e al SiC

A cura di: Steve Tom, Responsabile Linea Prodotto, Soluzioni GaN, Texas Instruments –  Masoud Beheshti, Responsabile Prodotto Tecnologie Avanzate, Soluzioni GaN, Texas Instruments – Johan Strydom, Responsabile Sviluppo Avanzato, Kilby Labs, Texas Instruments.

Bibliografia: (1)  Shehabi, A., Smith, S.J., Horner, N., Azevedo, I., Brown, R., Koomey, J., Masanet, E., Sartor, D., Herrlin, M., Lintner, W. 2016. United States Data Center Energy Usage Report. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California. LBNL-1005775