Al mismo tiempo, la investigación en fase inicial sobre la próxima generación de materiales semiconductores —los semiconductores de banda ancha ultraamplia (UWBG)— amenaza con revolucionar aún más este sector. IDTechEx prevé que el mercado de la electrónica de potencia crezca hasta alcanzar los 65 200 millones de dólares estadounidenses en 2036, lo que representa una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 10 % durante el periodo de previsión. En el informe de IDTechEx: «Mercado de la electrónica de potencia 2026-2036: centros de datos, vehículos eléctricos y energías renovables», se ofrece un análisis comparativo detallado de los semiconductores de silicio, de banda ancha y de banda ultraancha, así como un análisis de la cadena de suministro (incluidas las conclusiones clave obtenidas de las conversaciones con los principales fabricantes chinos de SiC) y una evaluación de cada material en los ámbitos de los centros de datos, los vehículos eléctricos y las energías renovables.
Una diferencia de materiales: propiedades clave que diferencian al Si, al SiC, al GaN y a los UWBG
La diferencia más evidente entre el Si, el SiC, el GaN y los UWBG a nivel de materiales es su banda prohibida. Esto influye directamente en propiedades críticas de los materiales, como sus campos críticos de ruptura, que determinan la tensión máxima a la que los semiconductores de potencia pueden funcionar de forma segura. Un campo crítico de ruptura más alto permite un funcionamiento a mayor tensión o, alternativamente, permite el funcionamiento a la misma tensión con una capa de deriva más pequeña, lo que minimiza el factor de forma y la resistencia en estado activo. Sin embargo, también hay otros parámetros importantes a la hora de evaluar los materiales semiconductores. La movilidad de los electrones y la velocidad de deriva afectan al rendimiento de conmutación de un dispositivo, lo que a su vez influye en las frecuencias de conmutación que puede alcanzar un transistor de potencia. Cabe señalar, no obstante, que la arquitectura del dispositivo también desempeña un papel clave en este sentido; los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de GaN, por ejemplo, permiten frecuencias de conmutación rápidas del orden de los MHz.
Dado que la gestión térmica desempeña un papel crucial en el diseño de los sistemas, las propiedades térmicas de los materiales semiconductores también son un factor esencial a tener en cuenta. Teniendo en cuenta las consideraciones relativas a los materiales y los dispositivos, el SiC está bien posicionado para complementar al silicio en aplicaciones que requieren alta tensión, mientras que el GaN complementa especialmente bien en aplicaciones de baja potencia y conmutación rápida. Las propiedades de algunos UWBG son muy interesantes. En especial, el diamante, con su gran banda prohibida, su alto rendimiento de conmutación y su excepcional conductividad térmica, tiene el potencial de funcionar como el semiconductor de potencia «definitivo», al menos en teoría.
Los centros de datos impulsan las innovaciones en materiales de banda ancha, mientras que las energías renovables respaldan la perdurabilidad del silicio
Una de las aplicaciones de la electrónica de potencia que más expectación ha suscitado recientemente es la de los centros de datos, especialmente para el entrenamiento de IA, donde la próxima generación de servidores requiere una revisión de la arquitectura de alimentación, pasando de la conversión de CA a CC a nivel de rack a una arquitectura de «sidecar», que suministra 800 V CC al rack. Esto acabará siendo sustituido por una arquitectura «nativa» de 800 V CC, en la que la tensión de la red se reducirá a 800 V CC mediante transformadores de estado sólido, para luego distribuirse por todo el centro de datos. Aunque se espera que esto aporte mejoras significativas en la eficiencia, la razón principal es de carácter práctico: la arquitectura de potencia actual simplemente no podrá proporcionar la potencia necesaria para los servidores Vera Rubin Ultra de Nvidia y modelos posteriores. En el informe «Mercado de la electrónica de potencia 2026-2036: centros de datos, vehículos eléctricos y energías renovables» se incluyen análisis detallados sobre la transición a los 800 V CC.
En los vehículos eléctricos, el cambio a un tren de potencia de 800 V fue un factor clave para la innovación en materiales de banda ancha, donde las ventajas del SiC frente a la tecnología de silicio actual resultaron evidentes y justificaron el sobrecoste en muchos modelos de alto rendimiento. En los centros de datos, factores similares están impulsando la innovación en la tecnología de banda ancha, especialmente en el caso del GaN. En el ámbito de la baja tensión (reducción de 800 V CC a 50 V, 12 V o 6 V), la eficiencia y la miniaturización son fundamentales. La conmutación ultrarrápida del GaN reduce el tamaño de los componentes pasivos (inductores, condensadores, etc.) y, por lo tanto, el espacio total que ocupa el dispositivo. Con el objetivo de reservar el máximo espacio posible para la computación, el tamaño de los dispositivos es un parámetro de vital importancia que impulsa la comercialización del GaN. En el ámbito de la alta tensión, es probable que los transformadores de estado sólido se basen en la tecnología SiC, donde los MOSFET individuales ya son capaces de funcionar a 10 kV.
El SiC y el GaN acaparan sin duda los titulares, aunque todavía no dominen todo el mercado (IDTechEx prevé que el SiC se convierta en el material dominante para semiconductores de potencia en 2036). Sin embargo, sigue existiendo un mercado sólido y estable para los semiconductores de potencia de silicio. Un ejemplo en el que los actores del sector se han mostrado más reticentes a pasarse a los semiconductores de banda ancha es el de las energías renovables, concretamente las turbinas eólicas. Esto es especialmente cierto en el ámbito marino, donde los costes de reparación serían muy elevados si los componentes fallaran. Las ventajas de la miniaturización también son relativamente menos importantes en comparación con otros sectores. Por último, el sector eólico es muy sensible a los costes; en muchos casos, los sobrecostes asociados al SiC son demasiado elevados como para asumirlos. En conjunto, esto ha dado lugar a una transición mucho más lenta para abandonar la tecnología de silicio dominante. Sin embargo, están empezando a surgir las primeras colaboraciones, como las establecidas entre Wolfspeed y Hopewind, lo que sugiere que la tecnología de SiC ha alcanzado la madurez suficiente para su uso incluso en estos sectores más cautelosos. Esta madurez se ha desarrollado en gran medida gracias a la I+D del sector de los vehículos eléctricos, lo que pone de relieve la naturaleza transversal del mercado de la electrónica de potencia.
Author: Matthew Fall - Technology Analyst, IDTechEx
