Si recientemente ha visto la publicidad de un cargador USB-C moderno, un rectificador de telecomunicaciones o una fuente de alimentación para servidores, es probable que ya haya visto tres letras que impulsan el diseño: GaN. En OnlineComponents.com, donde apoyamos tanto a ingenieros de diseño como a compradores de componentes en diversas industrias, estamos viendo cómo los dispositivos de nitruro de galio pasan de ser “desconocidos” a estar “por todas partes” en fuentes de alimentación AC/DC y DC/DC, así como en controladores de motores. Esta es la razón por la que el GaN ha captado tanta atención y qué debe tener en cuenta al calificar componentes o elaborar una lista de materiales.

Qué aporta el GaN

El GaN es un semiconductor de banda prohibida ancha con un campo eléctrico crítico y una movilidad electrónica mucho mayores que el silicio. En la práctica, esto se traduce en transistores con capacitancias más bajas, conmutación más rápida y pérdidas de conmutación considerablemente reducidas en comparación con los MOSFET de silicio. A diferencia de los diodos de cuerpo de los MOSFET de silicio, los transistores de potencia GaN no dependen de portadores minoritarios, por lo que la carga de recuperación inversa es prácticamente nula. La física que hay detrás de estos dispositivos es la base de las fuentes de alimentación actuales, más pequeñas, más frescas y más eficientes.

Los diseñadores suelen recurrir al GaN para el rango aproximado de 100 a 650 voltios, cargadores compactos de teléfonos y portátiles, y muchas fuentes de alimentación industriales. Para voltajes aún más altos y mayor potencia, el carburo de silicio suele ser la opción más adecuada, como en los inversores de tracción de vehículos eléctricos y el cargador integrado en el automóvil. Ambos son materiales semiconductores de nueva generación, pero destacan en rangos diferentes, razón por la cual los distribuidores suelen ofrecer opciones de ambos.

Eficiencia y densidad de potencia: por qué importa a los compradores

Como el nitruro de galio puede conmutar rápidamente con pocas pérdidas, los diseñadores utilizan frecuencias de conmutación más altas, a menudo entre dos y cinco veces superiores a las de las fuentes basadas en silicio. Esto permite reducir el tamaño de los componentes magnéticos y los condensadores, disminuir la masa de los disipadores de calor y aumentar la densidad de potencia general. Esta tecnología es la que hace posibles los cargadores USB-C Power Delivery y las fuentes de alimentación de alta potencia y formato compacto que se están volviendo tan populares. En estos sistemas de alta frecuencia y alta tensión se observan velocidades de variación considerablemente mayores, normalmente de decenas de voltios por nanosegundo, por lo que se necesitan diseños de referencia que den prioridad a una disposición rigurosa para mantener bajo control la interferencia electromagnética (EMI).

Todas estas características se traducen en beneficios prácticos para los usuarios finales. Utilizando nitruro de galio, es posible lograr un menor costo del sistema con el mismo rendimiento, o incluso mejor. Si bien un dispositivo GaN puede ser más costoso que un MOSFET de silicio comparable, el costo del sistema a menudo disminuye porque se pueden reducir los componentes magnéticos (transformadores y similares), los condensadores, el hardware térmico y el volumen del gabinete. Esta es una conversación sobre la lista de materiales que los diseñadores de energía modernos deberían mantener a diario con sus diseñadores de sistemas.

La mayor eficiencia de estas fuentes de alimentación es un camino evidente hacia certificaciones de eficiencia igualmente más altas. Las fuentes de alimentación para centros de datos y PC compiten en cuanto a etiquetas de eficiencia energética, y el uso de frontales basados en GaN facilita alcanzar esos objetivos al reducir las pérdidas de PFC y de la etapa primaria tanto en carga parcial como en carga completa.

Finalmente, un producto más pequeño y liviano resulta beneficioso para todos. Para adaptadores y fuentes integradas, el peso de envío, la densidad de puertos y el confort térmico son importantes. Los beneficios de la densidad del GaN son evidentes para muchos, y este beneficio se puede ver en los estantes de las tiendas, donde los cargadores de pared multipuerto de 65-100 vatios tienen la mitad del tamaño de sus predecesores de silicio. De hecho, si un producto final utiliza en su marketing términos como “ultracompacto” o “de bolsillo”, es muy probable que contenga nitruro de galio en su interior.

Tendencias de topología con el Nitruro de Galio

Existen algunas topologías que se están volviendo más frecuentes debido a las características exclusivas de los MOSFET basados en GaN. Un estilo más reciente de corrección del factor de potencia reemplaza el puente de diodos de entrada habitual. La conmutación rápida y limpia hace que esto sea viable, por lo que se obtiene una mayor eficiencia y menos componentes. Prescindir de este puente de diodos sí requiere un diseño de circuito cuidadoso, un buen filtrado de entrada y atención a la detección de corriente y al tiempo de conmutación para mantener bajo control el ruido eléctrico.

Ya sea que utilice un convertidor resonante o un simple medio puente, el GaN le permite conmutar más rápido con menor pérdida, lo que significa que puede utilizar una etapa aislada de alta frecuencia. Esto se traduce en un transformador y un condensador más pequeños sin renunciar a la eficiencia. Muchos diseñadores combinan un frontal de nitruro de galio con un medio puente GaN para que todo el lado primario funcione más fresco y más liviano.

En el lado secundario, las etapas de reducción y elevación de bajo voltaje - algo así como de 48 voltios a 12 voltios o de 12 voltios a 5 voltios - reducen la energía desperdiciada cada vez que los interruptores se encienden y apagan. El resultado son fuentes compactas y de múltiples salidas que se mantienen eficientes incluso a medida que los transformadores se vuelven más pequeños.

Las etapas de potencia GaN integradas son dispositivos en los que los transistores están integrados con el controlador y la protección. La integración acorta los lazos de cableado sensibles, lo que facilita el control de la conmutación de alta velocidad y a menudo simplifica el PCB. Para muchos equipos, este es el camino más rápido hacia un diseño confiable y de alta densidad.

Fiabilidad de los transistores GaN

Los primeros escépticos de la tecnología GaN se preocupaban por las variaciones dinámicas de RDS(on), los métodos de calificación y la fiabilidad de la puerta a largo plazo. En respuesta a estas preocupaciones, la industria ha estandarizado las prácticas de prueba y presentación de informes, y publica datos de vida útil relevantes para las aplicaciones. Al evaluar componentes, solicite condiciones de estrés que se asemejen a su caso de uso y busque calificaciones alineadas con las directrices específicas de GaN, en lugar de basarse únicamente en las pruebas tradicionales de MOSFET de silicio.

Desde el punto de vista de un diseñador, existe una lista de verificación práctica de elementos a revisar o abordar que recomendamos a los equipos de ingeniería y abastecimiento.  

• Adecuación de la clase de voltaje y la topología. Dado que la mayoría de los GaN actuales son ideales en el rango de 100-650 V, solo tiene sentido en aplicaciones que se encuentren dentro de ese rango. Aun así, deberá asegurarse de que todos los demás parámetros se ajusten a sus necesidades.
• Controlador integrado frente a discreto. Las soluciones GaN integradas, con controlador y protección incluidos, reducen las parasitarias y el riesgo de diseño. Las soluciones GaN discretas, por otro lado, ofrecen flexibilidad y pueden brindar más opciones de encapsulado.
• Protección térmica. La eficiencia es superior a la de muchas otras tecnologías, pero los encapsulados son más pequeños. Esto hace que sea igual de importante validar las rutas térmicas. Como con toda la electrónica, una unión más fría prolonga la vida útil y evita sorpresas relacionadas con la reducción de potencia (derating).
• Estrategia de interferencia electromagnética (EMI) - Los flancos rápidos ahorran vatios, pero pueden emitir ondas electromagnéticas no deseadas. Reserve presupuesto para snubbers, espectro expandido si es posible, y simule las corrientes de modo común desde el principio para asegurarse de que el diseño funcione correctamente y no supere los requisitos de emisión.
• Cadena de suministro y segunda fuente. Como distribuidor, somos plenamente conscientes de los desafíos que implica el abastecimiento de componentes electrónicos. Afortunadamente, a medida que ha crecido la demanda de GaN, se ha convertido en un mercado con múltiples proveedores que fabrican componentes similares.  

Resumen

El auge del nitruro de galio no es una moda pasajera. Es una ventaja de materiales convertida en logros de diseño cotidianos. Para los ingenieros, desbloquea mayor eficiencia, mayor frecuencia y mayor densidad de potencia con herramientas y diseños de referencia convencionales. Para los compradores, puede reducir el costo del sistema, disminuir el tamaño y el peso, y respaldar hojas de ruta de eficiencia ambiciosas. Al calificar sus componentes, busque datos de fiabilidad específicos de GaN y confirme la cobertura de múltiples proveedores para reducir el riesgo de su plan.