Il MOSFET di potenza al silicio è stato per oltre quarant’anni il dispositivo maggiormente utilizzato nella conversione di potenza a bassa e media tensione. Questa soluzione rappresentava la scelta migliore per ogni applicazione, dall’elettronica di consumo e le infrastrutture di telecomunicazione agli alimentatori industriali e ai sistemi automotivi. Il MOSFET al silicio era facile da usare, disponeva di un ecosistema di produzione ben consolidato e le sue prestazioni erano facilmente prevedibili. I miglioramenti architettonici apportati nel corso del tempo, come il passaggio dai design planari a quelli a trench e a supergiunzione, hanno costantemente ridotto la resistenza nello stato attivo RDS(on), mantenendo le prestazioni offerte in termini di tensione.
Tuttavia, la tecnologia dei MOSFET al silicio sta raggiungendo i suoi limiti fisici. I semiconduttori a banda larga, in particolare il nitruro di gallio (GaN), stanno diventando il naturale successore nella gamma a bassa tensione, poiché l’elettronica moderna richiede maggiore efficienza, maggiore densità di potenza e prestazioni dinamiche più veloci. Il GaN cambia il modo in cui i dispositivi di potenza funzionano a livello atomico, il che apre la strada a nuove architetture di conversione di potenza e modifica il funzionamento dei sistemi nel loro complesso.
I limiti fisici dei MOSFET al silicio
Le prestazioni dei MOSFET al silicio sono limitate da un ben noto compromesso tra perdite di conduzione e perdite di commutazione. Il raggiungimento di una bassa resistenza nello stato attivo (RDS(on)) richiede tipicamente un aumento dell’area del dispositivo, il che a sua volta incrementa le capacità parassite come la carica di gate (Qg) e la capacità di uscita (Coss). Il compromesso tra maggiore capacità e velocità di transizione più lente è dovuto alle proprietà del silicio, in particolare al suo campo elettrico critico relativamente basso. Il silicio non è in grado di gestire campi elettrici elevati, quindi i dispositivi devono essere più grandi per bloccare la tensione, il che aumenta direttamente la capacità. Per questo motivo, i MOSFET diventano meno efficienti all’aumentare della frequenza di commutazione; ciò significa che i progettisti devono far funzionare i convertitori a frequenze più basse. Per decenni, la necessità di bilanciare le perdite di conduzione e di commutazione mantenendo le frequenze di commutazione entro limiti pratici ha plasmato la progettazione dell’elettronica di potenza.
Resistenza allo stato attivo e tensione di rottura
Nei dispositivi unipolari come i MOSFET, la relazione tra resistenza nello stato attivo e tensione di rottura è determinata fondamentalmente dalle proprietà del materiale semiconduttore. La resistenza nello stato attivo specifica della regione di deriva può essere approssimata nel modo seguente:
RDS(on) = 4*VBR² / (ε0 εr μn Ecrit³)
Dove VBR è la tensione di rottura, μn è la mobilità degli elettroni, εr è la permittività relativa ed Ecrit è il campo elettrico critico del materiale.
Questa relazione rivela il ruolo dominante del campo elettrico critico. Poiché RDS(on) varia proporzionalmente all’inverso del cubo di Ecrit, i materiali in grado di sostenere campi elettrici più elevati consentono una resistenza notevolmente inferiore a parità di tensione nominale.
Il silicio ha un campo elettrico critico relativamente basso (~0,23 MV/cm). Di conseguenza, i dispositivi progettati per bloccare tensioni più elevate richiedono regioni di deriva spesse e leggermente drogate, il che aumenta notevolmente la resistenza e l’area del chip. Questo è il compromesso fondamentale che ha plasmato l’elettronica di potenza al silicio per decenni.
2DEG: il cuore del transistor GaN HEMT
I dispositivi GaN utilizzano una struttura speciale basata su un’eterogiunzione tra nitruro di alluminio e gallio (AlGaN) e GaN.
Quando un sottile strato di AlGaN viene fatto crescere su GaN, la differenza nella struttura reticolare e nella polarizzazione crea forti campi elettrici all’interno del materiale. All’interfaccia tra i due materiali, questi campi formano un gas elettronico bidimensionale (2DEG).
Questo 2DEG crea un canale di conduzione molto sottile con una densità di portatori molto elevata e una mobilità degli elettroni molto superiore a quella del GaN bulk. Il risultato è un percorso di conduzione con una resistenza molto bassa che non richiede un forte drogaggio, il quale altrimenti peggiorerebbe la mobilità.
Questo meccanismo consente ai transistor GaN ad alta mobilità elettronica (HEMT) di raggiungere un RDS(on) eccezionalmente basso, pur mantenendo un’elevata capacità di tensione.
Funzionamento normalmente off nella conversione di potenza
Il GaN HEMT nativo è un dispositivo operante nella modalità di svuotamento (deployment mode), il che significa che conduce a polarizzazione di gate pari a zero grazie alla presenza del canale 2DEG. Sebbene questo comportamento sia accettabile negli amplificatori RF, i sistemi di conversione della potenza richiedono un funzionamento normalmente off per garantire un avvio sicuro e la gestione dei guasti.
Diverse architetture di dispositivi consentono il funzionamento del GaN in modalità di arricchimento (enhancement mode). Tra le più diffuse vi è la struttura a gate p-GaN, in cui un sottile strato di GaN di tipo p sopprime il 2DEG a polarizzazione del gate pari a zero. L’applicazione di una tensione di gate positiva ristabilisce il canale e attiva il dispositivo, creando un comportamento simile a quello di un MOSFET convenzionale.
Approcci alternativi includono strutture recessed-gate, impianto di fluoro e configurazioni cascode ibride che combinano un MOSFET al silicio a bassa tensione con un HEMT GaN in modalità di svuotamento.
Come il GaN supera il compromesso del silicio
Il nitruro di gallio è un semiconduttore con un ampio bandgap, le cui proprietà materiali differiscono notevolmente da quelle del silicio. Uno dei suoi principali vantaggi è che il suo campo elettrico critico è circa dieci volte superiore a quello del silicio.
Il nitruro di gallio è un tipo di semiconduttore con un ampio bandgap. Il suo bandgap è pari a circa 3,39 eV, molto più alto rispetto a quello del silicio, pari a 1,12 eV. Ciò significa che il componente GaN può funzionare a temperature più elevate. Il campo elettrico critico del GaN è di circa 3,3 MV/cm, oltre dieci volte superiore a quello del silicio.
I dispositivi GaN necessitano di una regione di deriva molto più sottile per gestire la stessa tensione di blocco, poiché la capacità di rottura aumenta con l’intensità del campo elettrico. Ciò riduce notevolmente la resistenza e la capacità del dispositivo.
La resistenza specifica teorica dei dispositivi GaN è di circa due ordini di grandezza inferiore a quella del silicio e molto inferiore a quella del carburo di silicio (SiC) nella stessa classe di tensione a 600 V. Questo vantaggio del materiale è l’unica ragione per cui il GaN sta rapidamente sostituendo i MOSFET nella conversione di potenza a media tensione.
Grazie a questa proprietà, i dispositivi GaN possono bloccare la tensione con una struttura molto più piccola. Per questo motivo, i transistor GaN possono avere capacità molto basse e mantenere comunque una bassa resistenza in conduzione. Questa combinazione rende le transizioni di commutazione molto veloci e riduce notevolmente le perdite di commutazione.
Un altro vantaggio significativo dei dispositivi GaN è che non presentano una carica di recupero inverso. Quando avviene la commutazione nei MOSFET al silicio, il body diode causa perdite di recupero inverso, specialmente nelle topologie a commutazione rapida. I transistor GaN eliminano questo effetto, rendendo il sistema ancora più efficiente e consentendo una commutazione più rapida.
Queste caratteristiche si combinano per consentire ai dispositivi GaN di funzionare bene a frequenze di commutazione molto più elevate rispetto a quelle che i MOSFET al silicio sono solitamente in grado di gestire.
Una frequenza di commutazione più elevata consente di realizzare sistemi più compatti
La capacità di commutare in modo efficiente a frequenze più elevate ha profonde implicazioni a livello di sistema. Nei convertitori tradizionali basati sul silicio, i componenti passivi come induttori e trasformatori determinano in gran parte le dimensioni e il peso dell’alimentatore. Questi componenti sono direttamente correlati alla frequenza di commutazione: maggiore è la frequenza, più piccoli sono i componenti magnetici richiesti.
Poiché i dispositivi GaN mantengono un’elevata efficienza anche a frequenze di commutazione dell’ordine dei megahertz, i progettisti possono ridurre drasticamente le dimensioni dei componenti magnetici e di filtraggio. Ciò porta a alimentatori con una densità di potenza significativamente più elevata, un peso ridotto e una risposta transitoria più rapida.
Questi miglioramenti sono particolarmente preziosi in applicazioni quali data center per l’intelligenza artificiale, robotica, calcolo ad elevate prestazioni e sistemi automotive avanzati, dove l’efficienza e il design compatto sono fondamentali.
Una rivoluzione a livello di sistema
Il GaN presenta numerosi vantaggi che vanno oltre le prestazioni dei transistor. I dispositivi GaN hanno capacità molto basse e una carica di recupero inverso quasi nulla, il che significa che le perdite di commutazione sono molto inferiori rispetto ai MOSFET al silicio.
Ciò consente un funzionamento ottimale a frequenze di commutazione molto più elevate, spesso dell’ordine dei megahertz. Gli alimentatori che funzionano a frequenze più elevate sono molto più piccoli e leggeri perché utilizzano induttori e trasformatori più piccoli.
Inoltre, l’architettura laterale dei dispositivi GaN consente di incapsulare i chip a livello di package e persino di integrare stadi di potenza, driver e circuiti di controllo su un unico die.
La tecnologia GaN può rendere le architetture dei convertitori più semplici, oltre che più efficienti e potenti. I progetti con MOSFET al silicio spesso richiedono circuiti aggiuntivi per ridurre le perdite di commutazione o gestire gli effetti parassiti. Gli ingegneri utilizzano spesso snubber, strategie complesse di pilotaggio del gate o tecniche di commutazione morbida per ottenere le migliori prestazioni.
Molti di questi problemi di progettazione possono essere semplificati o addirittura eliminati, poiché i dispositivi GaN hanno capacità inferiori e quasi nessun recupero inverso. Ciò può ridurre il numero di componenti e rendere l’intero sistema più affidabile.
In alcuni casi, i dispositivi GaN possono costare di più dei MOSFET al silicio a livello di dispositivo, ma il minor numero di componenti passivi e la migliore efficienza del sistema di solito significano che il costo totale del sistema è inferiore.
Figura 3: Schema a blocchi della scheda EPC91202 in un’applicazione di esempio di azionamento BLDC
Abilitare la prossima generazione di infrastrutture AI
Una tipica architettura di alimentazione dei server per le infrastrutture IA inizia con un ingresso AC, comunemente intorno ai 240 V AC, seguito da correzione del fattore di potenza (PFC), stadi di isolamento e livelli multipli di distribuzione CC prima di raggiungere gli alimentatori a livello di processore. Nelle moderne architetture Open Rack versione 3, la distribuzione dell’alimentazione passa comunemente attraverso bus di tensione intermedi come 400 V CC o 48 V CC prima di essere convertita in rail inferiori come 12 V, 8 V, o anche inferiori a 1 V per processori, GPU e sottosistemi di memoria.
La tecnologia GaN consente miglioramenti delle prestazioni in ogni fase di questa catena di erogazione dell’alimentazione. Rispetto ai tradizionali MOSFET al silicio, i dispositivi GaN offrono velocità di commutazione più elevate, perdite inferiori e indici di merito significativamente migliorati sia nelle applicazioni a commutazione soft che hard. Questi vantaggi consentono ai progettisti di aumentare le frequenze di commutazione, ridurre le dimensioni dei componenti passivi e ottenere densità di potenza più elevate: attributi fondamentali per l’infrastruttura di server di calcolo ad alte prestazioni e di intelligenza artificiale.
Un esempio di questo approccio è l’uso di convertitori isolati basati su GaN per architetture ad alta tensione, come un’alimentazione per server da 800 V CC a 12,5 V CC in grado di erogare circa 6 kW. È possibile utilizzare un’architettura a otto stadi in serie in ingresso e in parallelo in uscita (ISOP), in cui gli stadi primari sono collegati in serie mentre le uscite secondarie sono in parallelo. Questa configurazione consente una minore sollecitazione di tensione sui dispositivi, prestazioni migliorate e una migliore distribuzione termica su più fasi. Inoltre, la struttura interleaved riduce i requisiti di capacità in uscita e semplifica la progettazione del trasformatore.
Sono possibili anche implementazioni a potenze più elevata, tra cui alimentatori per server isolati da 800 V a 50 V che superano i 10 kW. Queste soluzioni dimostrano come la tecnologia GaN possa supportare le crescenti esigenze di potenza degli acceleratori IA, mantenendo al contempo fattori di forma compatti adatti alle moderne architetture rack.
Oltre agli stadi di conversione front-end, i dispositivi al GaN consentono anche di realizzare convertitori point-of-load (POL) più efficienti. Questi convertitori forniscono tensioni estremamente basse, fino a circa 0,5–0,8 V, necessarie ai processori di ultima generazione. Con una carica di recupero inverso pari a zero e perdite di commutazione inferiori, i FET GaN riducono significativamente le perdite sul lato secondario rispetto alle migliori alternative MOSFET, in alcuni casi fino al 40–67%.
Poiché i data center IA continuano a crescere in termini di consumo energetico e densità di calcolo, la capacità di ottimizzare l’efficienza nell’intera rete di distribuzione dell’energia diventa fondamentale. Le soluzioni end-to-end basate su GaN, dai convertitori front-end ad alta tensione ai regolatori POL a bassa tensione, sono destinate a svolgere un ruolo centrale nel rendere possibile la prossima generazione di infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni ed efficienti dal punto di vista energetico.
Applicazioni a 48 V e driver per motori
Una fase chiave di questa architettura è la conversione da 400 V o 800 V CC a 48 V, spesso implementata utilizzando architetture di convertitori ISOP (Input-Series Output-Parallel). Nei progetti ISOP, più moduli LLC operano con ingressi collegati in serie e uscite in parallelo, consentendo una gestione efficiente delle tensioni di ingresso elevate e la condivisione della corrente di carico in uscita. Questo approccio modulare distribuisce le perdite, semplifica la progettazione dei trasformatori e consente livelli di potenza scalabili per le piattaforme server IA.
Una volta generata la linea a 48 V, l’alimentazione viene fornita ai convertitori del bus intermedio (da 48 V a 12 V) e infine ai regolatori point-of-load (PoL), che generano l’alimentazione inferiore a 1 V richiesta dai moderni processori. Grazie al basso valore di RDS(on) del GaN e alle prestazioni di commutazione superiori, questi stadi possono raggiungere un’efficienza di picco fino al ~98% in moduli compatti da 1 kW, supportando i requisiti di potenza esigenti delle piattaforme di calcolo IA di prossima generazione
La tecnologia GaN sta migliorando rapidamente le prestazioni e l’integrazione dei driver per motori BLDC, in particolare nella robotica, nei droni e nei servosistemi compatti. I moderni progetti di inverter trifase basati su FET eGaN da 100 V possono erogare fino a 50 ARMS (70 A di picco) di corrente di fase operando a frequenze di commutazione fino a 150 kHz. L’elevata velocità di commutazione e le basse perdite dei dispositivi GaN riducono il rumore del motore, migliorano la coppia per ampere e consentono l’utilizzo di componenti passivi e condensatori del collegamento CC più piccoli.
I progetti altamente integrati combinano lo stadio di potenza GaN con driver di gate, sensori ed elettronica di controllo, consentendo soluzioni compatte che si adattano direttamente ad applicazioni con spazi limitati, come le articolazioni robotiche. Questo livello di integrazione aumenta la densità di potenza, semplificando al contempo la progettazione del sistema e accelerando lo sviluppo di piattaforme di azionamento per motori BLDC ad alta efficienza
Perché il GaN sostituirà i MOSFET
I MOSFET al silicio non scompariranno dall’oggi al domani. Il loro vantaggio in termini di costi e l’ecosistema maturo garantiscono che rimarranno utilizzati in numerose applicazioni.
Tuttavia, la fisica è chiara. Il GaN offre una resistenza inferiore, una commutazione più veloce, una maggiore efficienza e una densità di potenza notevolmente superiore nella gamma critica di 40-600 V.
Applicazioni quali caricabatterie rapidi, sistemi di alimentazione a 48 V, architetture di alimentazione per data center e convertitori CC-CC ad alta frequenza stanno rapidamente adottando la tecnologia GaN. Con l’aumento dei volumi di produzione e la diminuzione dei costi, si prevede che il GaN penetrerà in aree ancora più ampie del mercato dell’elettronica di potenza.
Poiché la domanda di sistemi elettronici più efficienti e compatti continua a crescere, la tecnologia GaN è destinata a svolgere un ruolo centrale nel futuro dell’elettronica di potenza.
Quando una nuova tecnologia migliora l’efficienza, riduce le dimensioni del sistema e semplifica la progettazione, la transizione diventa inevitabile.
In questo senso, il GaN non è semplicemente in competizione con il MOSFET al silicio.
Al contrario, sta conquistando molte delle applicazioni nuove e in più rapida crescita, mentre i MOSFET al silicio continuano a servire i mercati consolidati e tradizionali supportati dal loro ecosistema maturo. Nel corso del tempo, man mano che i nuovi progetti adottano sempre più il GaN, i MOSFET al silicio potrebbero gradualmente ritirarsi dalla prima linea dell’elettronica di potenza.
Riferimenti
GaN Power Devices for Efficient Power Conversion, Fourth Edition – by Alex Lidow, Michael de Rooij, John Glaser, Alejandro Pozo Arribas, Shengke Zhang, Marco Palma, David Reusch, Johan Strydom.
