Con la potenza l’energia diventa sostenibile

POWER ELECTRONICS –

L’utilizzo di tecnologie innovative, come quella del nitruro di gallio, caratterizzata da proprietà straordinarie in termini di potenza, basso rumore, alta frequenza e funzionamento ad alta temperatura, rende possibili nuove applicazioni nell’elettronica di potenza.

Generare e usare la potenza in modo sostenibile sta diventando rapidamente una delle maggiori priorità a livello mondiale. L'elettronica di potenza, che fa uso della tecnologia allo stato solido per controllare e convertire la potenza elettrica, sarà uno dei principali fattori abilitanti della nuova tecnologia per il risparmio energetico. Tuttavia, oggi i dispositivi di potenza realizzati su silicio stanno raggiungendo i propri limiti intrinseci legati al materiale. Ulteriori innovazioni e miglioramenti richiederanno semiconduttori a largo bandgap con prestazioni superiori rispetto al silicio. Il GaN è uno di questi materiali semiconduttori promettenti. Non è solo un semiconduttore a largo bandgap, ma è anche dotato di caratteristiche molto buone di mobilità degli elettroni, che riducono significativamente le perdite di conduzione e di commutazione. E last but not least, il GaN può essere depositato sulla sommità di wafer al silicio di grande diametro, spianando la strada per la riduzione dei costi e aumentando le possibilità di essere accettato da parte del mercato.

Più attenzione all'ambiente
Nel ventesimo secolo, quando i combustibili fossili erano il fattore di traino della prima rivoluzione industriale, la nostra economia era caratterizzata da molto lavoro manuale, da grandi stabilimenti industriali e dalla produzione di beni materiali. Ci comportavamo come se le risorse del mondo fossero illimitate. Tuttavia, al giorno d'oggi, ci confrontiamo con l'impoverimento delle nostre risorse e con i limiti imposti dai combustibili fossili. In cima a questo, i cambiamenti climatici ci costringono a riconsiderare i nostri consumi energetici per passare a un uso dell'energia più attento all'ambiente. Attualmente, la nostra economia è trainata dall'innovazione tecnologica, che migliora la qualità delle nostre vite attraverso i beni immateriali come i servizi e i contenuti. L'innovazione tecnologica si dimostrerà anche essere la chiave nell'affrontare le sfide dell'energia, in cui l'unica via da percorrere è un passaggio radicale verso le energie rinnovabili e verso il risparmio energetico in tutti i modi concepibili.
I sistemi fotovoltaici, i biocombustibili non ricavati da alimentari e le auto ibride generano l'energia sostenibile, mentre i sistemi Ict intelligenti e ad alta efficienza energetica e i sistemi di illuminazione intelligenti a Led costituiscono delle soluzioni tecnologiche per limitare i consumi di energia. Molte di queste nuove tecnologie saranno rese possibili dall'elettronica di potenza.

Semiconduttori a largo bandgap per l'efficienza energetica
I componenti elettronici di potenza per la generazione e la conversione dell'energia sono già usati in applicazioni avanzate come convertitori solari, circuiti di pilotaggio dei motori, veicoli elettrici ibridi o alimentatori a commutazione. Tuttavia, per ottenere ulteriori miglioramenti e innovazioni nei dispositivi per la generazione dell'energia, sarà necessario l'uso di semiconduttori a largo bandgap che consentono la produzione di dispositivi con una tensione di rottura elevata. I materiali nitruri di tipo III-V a largo bandgap, ad esempio, offrono una combinazione di alta tensione e di velocità elevata degli elettroni, che riducono in modo significativo le perdite di commutazione e di conduzione. L'uso dei semiconduttori a largo bandgap consentirà di realizzare dispositivi ad alta efficienza energetica. Tuttavia, i semiconduttori a largo bandgap non sono solo visti come una tecnologia abilitante per la nuova generazione di dispositivi di potenza.
Essi sono anche considerati come candidati potenziali per ridurre il consumo totale di energia, ad esempio attraverso l'illuminazione a Led... E last but not least, i semiconduttori a largo bandgap offrono prospettive promettenti per realizzare nuove tecnologie più pulite, ad esempio nell'industria automobilistica ibrida. A dire il vero, le cifre dimostrano che l'elettronica di potenza riveste un ruolo chiave nelle energie rinnovabili e nella riduzione del consumo energetico: sebbene rappresenti solo il 10% del mercato complessivo dei semiconduttori, l'industria dell'elettronica di potenza è caratterizzata da un tasso di crescita complessivo più alto (superiore all'11%) rispetto all'industria globale dei semiconduttori (la cui crescita si aggira attorno al 7%).

Una combinazione ottimale di prestazioni e costi
Ma una nuova tecnologia per l'elettronica di potenza otterrà l'accettazione da parte del mercato, in sostituzione alle tecnologie esistenti o come un elemento abilitante per una nuova tecnologia, solo quando il suo costo sarà competitivo rispetto alle soluzioni esistenti. Di conseguenza, è di fondamentale importanza trovare materiali e processi che offrano una combinazione ottimale di prestazioni e costi. Il nitruro di gallio (GaN) ha dimostrato di essere un simile materiale. Non è solo un semiconduttore a largo bandgap che sopporta una tensione di rottura superiore. Grazie alle sue caratteristiche di mobilità molto buone, esso riduce in modo considerevole le perdite di commutazione e di conduzione rispetto al silicio. A causa delle sue proprietà straordinarie in termini di potenza, basso rumore, alta frequenza e funzionamento ad alta temperatura, il nitruro di gallio estende considerevolmente il campo di applicazione delle soluzioni allo stato solido. Inoltre, il GaN offre prospettive molto promettenti di riduzione dei costi. Recentemente è stata dimostrata la possibilità di crescere uno strato al GaN su wafer al silicio da 200 mm; si tratta di un passo importante verso la lavorazione di dispositivi di potenza al GaN su wafer al silicio di grande diametro.

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