Come il GaN può ottimizzare il 5G

Il 5G, rete cellulare di ultima generazione, promette una trilogia di funzionalità che cambierà il modo in cui ci approcciamo alle applicazioni wireless. Il 5G offre una connettività massiccia, una portata eccezionale ed una latenza molto bassa, caratteristiche che consentiranno a molte applicazioni di abbandonare il cavo.

Mentre le aziende e i consumatori attendono il lancio del 5G nei loro territori, gli operatori di rete devono valutare attentamente come poter installare l’hardware richiesto.

Le attrezzature odierne utilizzano spesso siti e proprietà in affitto con limiti severi stabiliti su superficie, volume e peso consentito. Inoltre, il 5G utilizza apparecchiature aggiuntive rispetto al 4G, come i sistemi di antenne attive (AAS) e le stazioni radio base (BTS), per implementare la copertura necessaria per una connettività massiccia.

Anche la potenza disponibile in tali siti può essere limitata, limitando altresì ciò che può essere installato. Poiché i costi di noleggio rappresentano circa un terzo delle spese operative (OPEX), i sistemi 5G devono rendere di più rispetto ai sistemi 4G, pur essendo uguali o più leggeri in termini di peso ed inferiori in termini di volume.

Commutazione di potenza dal silicio al GaN

I transistor a banda larga al nitruro di gallio (GaN) stanno già contribuendo alla parte radio del 5G, ma vengono presi sempre più in considerazione anche per gli alimentatori. Le prestazioni migliori rispetto ai MOSFET al silicio si traducono in una migliore efficienza, con conseguente riduzione della dissipazione del calore, design più piccolo e compatto e una maggiore robustezza.

I vantaggi tratti dagli operatori vanno da un minor consumo di energia alla necessità di meno visite in loco per la manutenzione e la riparazione delle apparecchiature.

L’indipendenza dalla temperatura RDS(ON) e l’assenza di reverse-recovery charge (Qrr) rende i transistor GaN ad alta mobilità elettronica (HEMT) adatti sia per la correzione del fattore di potenza (PFC) che per gli stadi del convertitore DC-DC.

In questo modo reggendo frequenze di commutazione più elevate, è possibile utilizzare anche componenti passivi più piccoli, offrendo design compatti e più leggeri rispetto alle alternative a base di silicio. Spesso si può prendere in considerazione anche un raffreddamento passivo anziché utilizzare sistemi di raffreddamento ad aria.

I convertitori di potenza basati su MOSFET al silicio, come la serie OptiMOS™ 5 da 80 V, rappresentano uno standard dei modelli DC-DC da 1 kW 48V-12V ed offrono efficienze di picco del 97,58%. Spostando un tale progetto su CoolGaN™, la stessa soluzione LLC da 1 kW ha ottenuto una riduzione del 5% del calore e un’efficienza di picco del 97,70%. Il miglioramento dell’efficienza ottenuto sui carichi leggeri è da attribuire al passaggio al GaN.

Le perdite di conduzione contribuiscono principalmente a pieno carico, quindi il passaggio al GaN ha un impatto minimo sull’efficienza quando il consumo di corrente è massimo.

La sostituzione dei MOSFET al silicio con CoolGaN™ in un DC-DC LLC da 3,6 kW, 385V-52V offre miglioramenti ancora più significativi, anche quando il PFC è già basato su GaN. Spostando i due stadi raddrizzatori sincroni su GaN, la dissipazione del calore viene ridotta di circa il 15%.

Nonostante entrambi i dispositivi presentino valori RDS(ON) simili, l’alimentazione raggiunge un’efficienza di picco del 97,83% in questo design da 160 W/pollice3. Sottraendo l’impatto dell’alimentazione e delle ventole di raffreddamento, l’efficienza di picco sfiora il 98,5%.

Il GaN può avere un impatto maggiore sul 5G

A causa delle sue prestazioni alle alte frequenze, il GaN è spesso associato all’implementazione di ricetrasmettitori RF 5G. Tuttavia, il GaN è rilevante anche per gli alimentatori delle stazioni base per la riduzione del volume e del peso delle apparecchiature dovuti dal costo del noleggio del sito e dalle restrizioni fisiche.

Il portafoglio di transistor CoolGaN™ HEMT di Infineon, abilmente supportato dall’abbinamento di EiceDRIVER™, garantisce che anche questi obiettivi di progettazione per il 5G possano essere raggiunti migliorando allo stesso tempo efficienza e affidabilità.

Fonte: https://eepower.com/technical-articles/how-lightweight-5g-is-made-possible-by-gan/

Redazione Fare Elettronica