Materiali con un ampio band gap come il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC) hanno promesso ormai da tempo che sono in grado di abbassare i costi di progettazione dei sistemi, offrendo allo stesso tempo transistor di più piccole dimensioni con una migliore resistenza e un miglior voltaggio di breakdown rispetto alle loro controparti in silicone.
Il band-gap di un materiale dipende dalla forza dei suoi legami chimici tra gli atomi presenti nel reticolo. La presenza di questi legami più resistenti significa che è più difficile che un elettrone possa saltare da un'orbita all'altra. Ne consegue che ci siano minori perdite intrinseche di corrente e temperature operative più alte per i semiconduttori band-gap più alti. Questi miglioramenti consentono una migliore efficacia nella conversione di energia, maggiore affidabilità e redditività.
Parità di prezzo tra il nitruro di gallio (GaN) e il silicio (Si)
Il consenso nel settore dei semiconduttori è che il carburo di silicio (SiC) possa essere usato per quei progetti principalmente sopra le 900 V e il nitruro di gallio (GaN) per quelli che tradizionalmente sono al di sotto delle 900 V. Di recente, alcune produttrici di GaN hanno abbassato il costo dei dispositivi a GaN per creare un'uguaglianza con gli analoghi dispositivi a base di silicio. Detto questo, diamo un'occhiata ai progetti in GaN e dove verranno utilizzati quando vi sarà una parità di prezzo con il silicone. Ad esempio, la nuova gamma di FETS in eGaN di EPIC adesso presenta un prezzo inferiore rispetto alle controparti MOSFET in silicone con le stesse valutazioni di voltaggio e di resistenza. Si tratta questa della prima volta in 60 anni che un dispositivo non in silicone abbia goduto di prestazioni più alte e di un prezzo inferiore rispetto alla controparte in silicone. I FET in eGaN sono stati introdotti nel maggio del 2015 e stanno cominciando a sostituire i MOSFET nelle stronghold tradizionali come ad esempio convertitori punto-di-carico DC/DC e convertitori DC/DC isolati per strumentazione di telecomunicazione e server.
Vantaggi del GaN
Le aziende che producono soluzioni a base di GaN stanno scegliendo la loro nicchia di mercato, con alcune che puntano su voltaggi di 600 V o superiori (GaN Systems e Transphorm), mentre altre stanno puntando le loro forze sui voltaggi inferiori a 250 V (EPC). Ad esempio, Transphorm, la prima azienda con un dispositivo qualificato JEDEC preferisce lavorare con voltaggi superiori alle 600 V. Stanno osservando come il GaN stia penetrando i data center e l'energia delle telecomunicazioni poiché fornisce una correzione del fattore di alimentazione priva di bridge con scale di efficacia superiori a quella di Energy Star's Titanium (90-94% dell'efficacia su tutti i carichi). Transphorm sostiene che i primi progetti sono solo adesso in corso di produzione. Invertitori fotovoltaici fatti di GaN sono al 50% più piccoli e pesano il 50% in meno rispetto al silicone. Transphorm sostiene che stanno lavorano con Yaskawa e Tata su nuovi invertitori PV basati sul GaN.
A detta di Transphorm, l'illuminazione al LED è un altro progetto in dirittura d'arrivo per il GaN, in quanto consente una densità del driver notevolmente aumentata. Ad esempio, un'azienda di illuminazioni da studio ha introdotto un nuovo prodotto al CineGear Expo che faceva uso del GaN per compattare il progetto ballast del 70% e il suo peso del 50%.
EPC sostiene che l'alimentazione wireless, il monitoraggio RF-envelope, LiDAR, moltissime applicazioni mediche e satelliti stanno facendo uso di FET a eGaN per via dei vantaggi portati dalla velocità e dalle dimensioni. Nell'alimentazione wireless, si hanno per lo più vantaggi relativi alla velocità, dato che la frequenza di trasmissione a 6.78 MHz è troppo elevata per il silicone. Per il monitoraggio RF-envelope è importante anche la velocità, poiché le velocità di commutazione richieste sono troppo elevate anche per i transistor LDMOS. I sistemi LiDAR ustto il tempo di volo (ToF) della luce per misurare la distanza da un oggetto. La velocità del FET a eGaN si traduce in precisione di misurazione e in velocità di misurazione. Ecco spiegato il perché i FET a eGaN dominano nei veicoli autonomi basati sul LiDAR e nelle auto di mappatura. I FET a eGaN naturalmente tollerano anche le radiazioni che esistono nello spazio esterno. Questo ha spinto molti produttori di satelliti ha implementare convertitori DC/DC basati su FET a eGaN e sistemi LiDAR in prodotti di natura spaziale.
Inoltre, molte applicazioni di potenza medica richiedono un funzionamento ad alta frequenza che le soluzioni convenzionali in silicone non possono garantire per via del fatto che esse hanno raggiunto il loro limite. L'utilizzo di GaN garantisce ai clienti un'operatività alla frequenza desiderata con un'elevata affidabilità, grazie la bassa perdita di energia e di dissipazione del calore delle soluzioni in GaN. Convidien ha pubblicato un paper nelle procedure APEC, mostrando come il design di un bisturi a 1 MHz si basi su un progetto GaN.
Gap a banda larga nel settore automobilistico
Il Dottor Achim Strass, Direttore Ingegneristico delle Applicazioni pressoInfineon, tramite IDTechEx, sostiene che le tendenze principali negli invertitori di trazione dei veicoli elettrici (EV) comprendono semiconduttori ad ampio band-gap, sistemi di raffreddamento a doppia faccia e la creazione di forme conformali per i motori a quattro ruote e per l'integrazione in altri parti. È importante ridurre i costi e aumentare la robustezza. Gli invertitori stanno diventando sempre più complessi, compensando la riduzione dei costi. Inoltre, il Dottor Strass sostiene che gli invertitori di trazione continueranno a essere il terzo elemento più importante in termini di costo in un veicolo elettrico, aumentando in percentuale quando ci si sposta da un motore a più motori per veicolo. Vi è già la tendenza di usare più di un motore elettrico per veicolo. Quest'aspetto velocizza il mercato degli invertitori, rendendolo più rapido rispetto alla crescita dell'intero e-commerce dei veicoli.
Nel report IDTechEx, Power Electronics for Electric Vehicles 2015-2025, il Dottor Peter Harrop, presidente di IDTechEx, osserva che, "alcuni fornitori astuti stanno già lottando con ciò che l'onda di nuove componenti offrirà come ad esempio capacitori agli ioni di litio e semiconduttori GaN. I fornitori del libero mercato in Cina dovranno seguire questo trend. Altrimenti i loro clienti li congeleranno sempre di più come con i motori a quattro ruote del bus a pura elettricità più venduto al mondo-il K9 di BYD of China, la quale si crea le componenti fondamentali in maniera autonoma.
Ecco dove il silicone non può andare
Il futuro del materiale ad ampio band-gap come il GaN è roseo dato che potrà offrire soluzioni progettuali che la tecnologia al silicone non può offrire. Ad esempio, il monitoraggio RF-envelope descrive un concept dove il voltaggio di alimentazione applicata all'amplificatore di corrente viene costantemente regolato per assicurare che l'amplificatore stia operando alla massima efficienza per l'energia richiesta a ogni istante di trasmissione. A detta di Alex Lidow, Presidente di EPC, tutto ciò è disponibile già dal 1929, ma non era possibile implementarlo a tubi o al silicone, nemmeno con transistor LDMOS ad alta velocità. Richiede una frequenza e un'efficienza energetica troppo elevata. Il concept viene utilizzato per comprimere una maggiore quantità di banda larga digitale, dagli amplificatori RF alle comunicazioni mobili. Ora, con i FET a eGaN, esistono transistor abbastanza potenti, con un voltaggio abbastanza elevato e rapido per far sì che questa applicazioni diventi realtà. Lo stesso vale per la pillola per la colonscopia sviluppata in Israele da Check Cap. Si tratta questa di una macchina a raggi X al alta risoluzione che è stata integrata in una minuscola pillola che può essere ingerita. L'informazione a raggi X viene trasmessa in maniera wireless ad un ricevitore. La pillola ha un costo cosi basso (in parte grazie ai costi dei FET a eGaN) che, una volta terminato il suo compito, non c'è bisogno di recuperarla. Il risultato è quello di aver ottenuto una colonscopia non invasiva, a basso costo e altamente precisa per tutti.