Quattro applicazioni a media tensione che trarranno beneficio dalla tecnologia GaN

In questo articolo tecnico vengono descritte le quattro principali aree applicative per sistemi a media tensione in cui si sta diffondendo l’adozione della tecnologia GaN.

La rapida espansione tecnologica fa sì che la fame di energia sia in forte aumento. Per alimentare questa necessità in modo sostenibile, le fonti di energia rinnovabile come il solare vengono sempre più utilizzate per produrre elettricità.

Allo stesso modo, la richiesta di server sta crescendo in modo esponenziale per consentire un’elaborazione più rapida dei dati, l’archiviazione di big data e l’intelligenza artificiale (AI). Come risultato di tali tendenze, i progettisti hanno la necessità di continuare ad aumentare l’efficienza nei loro progetti fornendo allo stesso tempo più potenza con lo stesso ingombro.

Questa esigenza ha già spinto all’adozione del nitruro di gallio (GaN) nei progetti di alimentazione ad alta tensione poiché tale tecnologia presenta due vantaggi principali:

• Maggiore densità di potenza. Le frequenze di commutazione più elevate del GaN consentono ai progettisti di utilizzare componenti passivi di dimensioni più piccole come induttori e condensatori, riducendo così le dimensioni della scheda.
• Maggiore efficienza. Rispetto ai design al silicio, le prestazioni superiori di commutazione e perdita in conduzione dei dispositivi GaN riducono le perdite di oltre il 50%.

Oltre alle applicazioni GaN ad alta tensione (≥ 600 V) adottate dal settore, le nuove soluzioni GaN a media tensione (80 V ÷ 200 V) stanno diventando sempre più popolari per ottenere una maggiore densità di potenza ed efficienza nei sistemi di alimentazione che il GaN ad alta tensione in precedenza non era in grado di supportare.

In questo articolo descriverò quattro principali aree applicative di media tensione in cui si sta diffondendo l’adozione del GaN.

Applicazione n. 1: Energia solare

L’energia solare è la fonte di energia rinnovabile in più rapida crescita, con un aumento del 26% dal 2021 al 2022 e con una proiezione di espansione della capacità ad un tasso di crescita annuo composto di circa l’11,5% nei prossimi sette-otto anni. Con l’aumento delle installazioni di pannelli solari, aumenta anche la necessità di efficienza del sistema e densità di potenza, poiché si tratta di una tecnologia ad alta intensità di spazio. Per i sottosistemi di pannelli solari, i dispositivi LMG2100R044 e LMG3100R017 di Texas Instruments possono contribuire a ridurre le dimensioni del sistema di oltre il 40%.

L’energia solare è abilitata principalmente da due tipi di sottosistemi sul pannello solare: una fase boost seguita da una fase inverter per convertire la tensione DC in una tensione AC (vedere Figura 1) e una fase buck e boost in cui un ottimizzatore di potenza converte una tensione DC variabile in un livello di tensione DC comune (utilizzando l’inseguimento del punto di potenza massimo) per la fornitura ad un inverter di stringa (vedere Figura 2).

Applicazione n. 2: Server

La richiesta di server che eseguano complicati algoritmi di apprendimento automatico e consentano l’archiviazione di set di dati più grandi e complessi è destinata ad aumentare in modo esponenziale, considerando che siamo appena agli albori di questa tecnologia. I progetti ad alta densità con un requisito di efficienza di ciascuna fase superiore al 98% consentiranno di rispondere a queste esigenze di elaborazione e archiviazione migliorate.

Come illustrato nella Figura 3, tre sistemi primari nelle applicazioni di alimentazione per server possono utilizzare GaN da 100 V a 200 V:

• Unità di alimentazione (PSU). Le modifiche apportate al progetto Open Compute stanno aumentando la popolarità delle uscite a 48 V; tuttavia, le soluzioni in silicio da 80 V e 100 V richieste presentano perdite significativamente più elevate (gate drive e overlap) rispetto alle soluzioni precedenti. Le soluzioni GaN come il circuito integrato LMG3100 possono aiutare a ridurre al minimo queste perdite nel raddrizzatore sincrono sul secondario dello stadio LLC (induttore-induttore-condensatore).
• Intermediate bus converter (IBC). Questo sistema converte la tensione intermedia (48 V) dall’uscita dell’alimentatore in una tensione inferiore, che poi va al server. Con la diffusione del livello di tensione di 48 V, gli IBC contribuiscono a ridurre le perdite I²R durante la distribuzione nei sottosistemi server e consentono di ridurre sia le dimensioni che i costi dei bus bar e dei cavi che trasportano energia. Lo svantaggio degli IBC è che aggiungono un ulteriore passaggio alla conversione di potenza che potrebbe intaccarne l’efficienza. Pertanto, è importante sfruttare i dispositivi GaN ad alta efficienza come LMG2100 e LMG3100, oltre a diverse nuove topologie che gli OEM stanno testando per la migliore combinazione di alta efficienza e densità di potenza.
• Unità di backup a batteria (BBU). Uno stadio buck-boost converte generalmente la tensione della batteria (48 V) in una tensione del bus (48 V). È inoltre possibile utilizzare le BBU per la conversione della potenza della batteria quando la linea di rete si interrompe e il flusso di potenza è bidirezionale. I gruppi di continuità utilizzano questa fase perché evita le perdite causate dalla conversione da DC a AC a DC eseguendo una sola conversione da DC a DC direttamente dalla batteria.

Applicazione n. 3: Telecomunicazioni

È possibile realizzare l’alimentazione di un sistema radio per telecomunicazioni con la tecnologia GaN. Poiché la radio viene generalmente installata all’aperto con solo raffreddamento naturale, è importante un’elevata efficienza. Inoltre, le generazioni più avanzate di reti mobili (5G, 6G) richiedono velocità di rete ed elaborazione dei dati più elevate, e quindi sistemi di alimentazione ad alta densità con perdite molto basse. L’LMG2100 può contribuire a migliorare la densità di potenza fino ad oltre il 40% in questo tipo di progetti.

In una tipica applicazione a media tensione, il GaN converte l’energia da un livello di tensione della batteria negativo (tipicamente – 48 V) per fornire alimentazione agli amplificatori di potenza a + 48 V utilizzando topologie di convertitori buck-boost invertenti o forward o per fornire alimentazione a FPGA e altri carichi DC utilizzando una topologia di conversione buck.

Applicazione n. 4: Azionamenti di motori

In questo campo le applicazioni sono diverse e includono robotica, azionamenti di utensili elettrici e progetti di inverter per trazione a due ruote, con diversi profili di carico. Il recupero inverso zero del GaN (perché non è presente un diodo body) non comporta alcun tempo di assestamento per la corrente nella polarizzazione inversa del diodo, il che provoca minori perdite di tempo morto e una migliore efficienza. Come risultato delle frequenze di commutazione più elevate del GaN, si verifica un ripple di corrente inferiore, che, come accennato in precedenza, consente una riduzione delle dimensioni dei componenti passivi e può portare a progetti di azionamento del motore più eleganti.

La Figura 4 illustra come il la tecnologia GaN può adattarsi agli azionamenti dei motori.

Conclusione

La tecnologia GaN ha il potenziale per sostituire i tradizionali FET al silicio nelle applicazioni a media tensione su tutta la linea. Altre aree di applicazione per GaN da 100 V a 200 V includono la conversione DC/DC per scopi generici, amplificatori audio di classe D e apparecchiature per test e formazione di batterie. Il GaN offre inoltre frequenze di commutazione più elevate e perdite di potenza inferiori, vantaggi che diventano più pronunciati con gli stadi di potenza integrati che semplificano la progettazione di dispositivi di potenza.

Srijan Ashok è Product Marketing Manager presso Texas Instruments.