Riassunto analitico
Il silicio è stato il materiale di riferimento per la costruzione dei dispositivi a semiconduttore sin dagli anni ’50 del secolo scorso. L’elettronica di potenza, tuttavia, è in continua ricerca di performance superiori e miniaturizzazione dei dispositivi, portando i transistori a lavorare a frequenze di switching più elevate. Tutto ciò sta forzando i limiti della tecnologia basata sul silicio e porta all’esigenza di trovare nuovi materiali, come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). Quest’ultimo, in particolare, si distingue in quanto permette di produrre dispositivi con figure di merito superiori rispetto alla tecnologia al silicio. Lo scopo di questo elaborato di tesi, dunque, è quello di progettare e implementare un amplificatore audio in classe D basato su transistori al nitruro di gallio, partendo dall’analisi delle diverse tipologie di modulazione (PWM, ∆Σ, Bang-Bang e Sliding Mode Control) e dallo studio dei dispositivi in GaN. Per semplicità di gestione, si è scelto di sviluppare una scheda formata solamente dai transistori, dal gate driver e dalla componentistica accessoria, collegabile a una seconda board comprendente la circuiteria che implementa l’amplificatore audio. Questo lavoro di tesi è frutto di un periodo di tirocinio di otto mesi svolto presso RCF S.p.A, una azienda leader nell’ambito della progettazione, produzione e commercializzazione di prodotti e sistemi audio professionali. Il documento è strutturato come segue: nel primo capitolo si introducono alcuni concetti base sull’amplificazione audio, con focus particolare sugli amplificatori audio in classe D; nel secondo capitolo si vanno a descrivere e simulare le diverse tecniche di modulazione di questa topologia di amplificatori, facendo una comparazione in termini di Total Harmonic Distortion (THD). I capitoli 3 e 4, invece, entrano nel merito dei transistori in GaN e descrivono le varie fasi di progettazione dell’amplificatore, partendo dalla parte simulativa fino allo sbroglio del circuito stampato. Nel quinto capitolo si descrivono le prove sperimentali per la caratterizzazione dell’amplificatore in termini di potenza in uscita, temperatura dei dispositivi, perdite, efficienza e distorsione armonica. Nell’ultimo capitolo, infine, dopo un’analisi delle problematiche dell’amplificatore, si propone una revisione migliorata con le relative prove sperimentali.
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