Para el diseñador de sistemas de potencia, cualquier nueva tecnología que permita mejorar el rendimiento y, al mismo tiempo, reducir el tamaño y aumentar la eficiencia energética de los productos es un concepto muy emocionante: estamos hablando del territorio del Santo Grial. En el último siglo, el mundo de la electrónica de potencia ha sido testigo de muchos inventos e innovaciones y, sin remontarnos al tiratrón, la última gran innovación fue el paso del control analógico a digital.

Sin embargo, ahora asistimos a un nuevo y enorme avance tecnológico, la implantación de semiconductores de banda ancha (WBG). El nitruro de galio y el carburo de silicio llevan años utilizándose en amplificadores de potencia de radio y diodos de alta tensión, pero sólo hace unos años que han pasado a formar parte de la cadena de conmutación de potencia en forma de transistores. Adoptar una nueva tecnología está lleno de retos que, sorprendentemente, no siempre son técnicos. El aprendizaje es una parte importante del camino hacia el éxito, pero la adopción por el mercado y la construcción de un nuevo ecosistema son mucho más complicadas de lo que puede parecer en un principio. Veamos en qué punto se encuentra actualmente el GBM y cuáles son los retos pendientes.

Los pioneros impulsaron la adopción de GaN.
Inevitablemente, para las nuevas tecnologías el Time-to-Market es un proceso largo, y desde la investigación original, la obtención de patentes, la introducción de la tecnología y su adopción por el mercado, éste podría ser de más de 10 años. Todos conocemos la curva en forma de lomo de camello (Figura 01) y, para los que pertenecemos a la categoría de entusiastas de la tecnología, el éxito de una nueva tecnología vendrá de la mano de los pragmáticos y conservadores.

Figura 01 - Los diseñadores de potencia experimentados han cruzado ese abismo tecnológico muchas veces y la adopción del GaN sigue el mismo patrón (Fuente: PRBX/Geoffrey A. Moore)

Introducido en 2005, el control digital en las fuentes de alimentación ha sido ampliamente adoptado, pero después de 20 años sigue siendo considerado por los escépticos como una curiosidad. En circunstancias normales habría ocurrido lo mismo con la adopción del WBG, pero la demanda del mercado de fuentes más pequeñas y de menor consumo, la modernización de la industria, las tecnologías emergentes y la famosa Inteligencia Artificial han contribuido a acelerar los procesos de aprendizaje e implantación.

Como la Conferencia de Electrónica de Potencia Aplicada (APEC) celebra su 40º aniversario, es bueno recordar que, para muchos analistas tecnológicos, la piedra angular de la GaN tuvo lugar en APEC-2018, cuando los "aspirantes" demostraron el potencial comercial de la tecnología GaN. No es posible nombrarlos a todos, pero entre los líderes que promovieron el GaN yo diría que la idea de Efficient Power Conversion (EPC) de implementar el GaN en LiDAR fue realmente interesante, especialmente con esa tecnología haciéndose preponderante en la nueva generación de vehículos (Figura 02).

Figura 02 - Control de diodos láser GaN en nanosegundos para la autonomía avanzada en automoción (Fuente: PRBX con cortesía de Efficient Power Conversion (EPC))

LiDAR, acrónimo de "Light Detection And Ranging", es una tecnología que utiliza pulsos láser para cartografiar un entorno. Cuando el pulso entra en contacto con un objeto u obstáculo, se refleja o rebota en la unidad LiDAR. El sistema recibe entonces el pulso y calcula la distancia entre él y el objeto en función del tiempo transcurrido entre la emisión del pulso y la recepción del haz de retorno. Los sistemas LiDAR son capaces de procesar un gran volumen de impulsos, y algunos emiten millones de impulsos por segundo. Al procesar los haces de retorno, el sistema genera una visión completa del entorno que le rodea, lo que permite utilizar sofisticados algoritmos informáticos para discernir formas e identificar objetos como coches y personas.

Debido a su funcionamiento a alta frecuencia, que permite una modulación más rápida del pulso láser, las aplicaciones LiDAR formaron parte de las primeras en adoptar la tecnología GaN. Su capacidad para gestionar altas corrientes con pérdidas mínimas es primordial para mejorar la precisión y ampliar el alcance en los sistemas LiDAR. Las ventajas de GaN en cuanto a eficiencia y densidad de potencia permiten desarrollar sistemas LiDAR más pequeños y ligeros, lo que la convierte en una solución adecuada para diversas aplicaciones, como automoción, seguridad, robótica, drones y aeroespacial. Entre bastidores, el desarrollo de aplicaciones LiDAR ha contribuido a la adopción del GaN y está representando un volumen significativo.

2018 también fue el año en el que los fabricantes de adaptadores USB comenzaron a considerar la implementación de la tecnología WBG para ofrecer más potencia en un embalaje más pequeño y obtener una ventaja competitiva. He mencionado EPC, pero Navitas Semiconductors es otro ejemplo de empresa innovadora que en sus inicios impulsó la integración de GaN a un nivel superior empaquetando controladores e interruptores en el mismo sustrato.

Simplificar lo complejo: ¡la clave del éxito!
Cuando se presentó por primera vez, la utilización de semiconductores de potencia WBG estaba limitada por el número de controladores disponibles, lo que dificultaba que los diseñadores de potencia tuvieran en cuenta esta tecnología. Además, las nuevas tecnologías siempre son cuestionadas en cuanto a fiabilidad y sostenibilidad. La adopción por el mercado depende de lo sencillo que sea para los diseñadores de potencia acostumbrados a los MOSFET convencionales utilizar WBG, y de la rapidez de los fabricantes de semiconductores para desarrollar soluciones "listas para usar" que incluyan controlador, protección, monitorización y muchas otras funcionalidades en un solo chip. Esto no sólo simplifica la implementación, sino que también reduce el tamaño total de la etapa de potencia y, combinado con frecuencias de conmutación más altas, permite reducir el tamaño de los imanes, aumentando así la densidad de potencia y reduciendo al mismo tiempo el volumen y la masa totales de la fuente de alimentación.

Como ya hemos mencionado, entre los muchos productos que podrían beneficiarse de la implantación de la tecnología WBG, podríamos destacar los cargadores de equipos portátiles. Como usuarios finales, todos esperamos que los cargadores USB suministren más potencia, se carguen más rápido y sean más pequeños y ligeros.

En 2020, este deseo se hizo realidad y un ejemplo de las ventajas de utilizar GaN WBG para conseguirlo es un cargador rápido Mini de 110 W que es más de 12 veces más pequeño que el cargador de 96 W suministrado con el Apple MacBook Pro 16 lanzado por OPPO (Figura 03).

Figura 03 - La implementación de GaN en cargadores USB-C permite reducir el tamaño y el peso al tiempo que aumenta la densidad de potencia y la eficiencia (Fuente: PRBX con cortesía de Navitas Semiconductor).

Esto ha sido posible combinando los circuitos integrados de potencia Navitas GaNFast con un transformador planar, una topología optimizada y una mayor frecuencia de conmutación. Al mismo tiempo, EPC lanzó un IC GaN que lo integraba todo para que los diseñadores de potencia pudieran implementarlo fácilmente en sus nuevos diseños (Figura 04).

Figura 04 - El circuito integrado EPC23101, que utiliza la tecnología de CI GaN patentada por EPC, facilita el diseño (Fuente: PRBX con cortesía de Efficient Power Conversion (EPC))

Estos ejemplos ilustran cómo los fabricantes de WBG GaN pasaron rápidamente de lo "complejo" a lo "sencillo" para implementar la tecnología, contribuyendo a generar volumen y adopción en el mercado.

El GaN de alta potencia sienta las bases del futuro.
Como hemos visto, impulsados por el segmento de consumo, los diseñadores de potencia pronto se dieron cuenta de las ventajas que ofrecía GaN para ofrecer más potencia en formatos más pequeños. Los diseñadores de potencia tuvieron que enfrentarse a varios retos para desarrollar una alta frecuencia de conmutación utilizando la tecnología GaN en formatos muy compactos, pero aquella fue una época realmente apasionante para muchos de nosotros.

Los ejemplos presentados se referían a aplicaciones de baja y media potencia, pero el WBG también suscitó gran interés en aplicaciones de alta potencia, como los vehículos eléctricos, las energías renovables y muchas otras.

Los vehículos eléctricos (VE) han experimentado una importante adopción de la tecnología WBG y, a día de hoy, es la tecnología dominante en cargadores de baterías, trenes de potencia y, como ya se ha mencionado, equipos como LiDAR. Los vehículos eléctricos se presentan a menudo como el escaparate de la adopción de la WBG, aunque es menos conocido el papel de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) en el apoyo a la investigación sobre GaN y SiC.

El objetivo de esta investigación era desarrollar la próxima generación de fuentes de alimentación para soportar aplicaciones de hiperprocesadores y centros de datos para Inteligencia Artificial (IA). La rápida adopción de la IA va acompañada de un crecimiento significativo del volumen de datos y un aumento de los requisitos informáticos. Para 2025, se prevé que el volumen de datos alcance los 180 zettabytes, frente a los 15 zettabytes de 2015. Según los investigadores de OpenAI Darío Amodei y Danny Hernández, la cantidad de potencia de cálculo utilizada para el aprendizaje profundo para entrenar modelos de IA de última generación se ha duplicado cada 3,4 meses desde 2012. Este aumento continuo de la potencia de cálculo repercute directamente en el consumo de electricidad, y se prevé que los centros de datos de IA representen hasta el 7 % de la demanda mundial de electricidad en 2030.

Optimizar la utilización de la energía siempre ha sido una preocupación para los fabricantes de TIC, que exigen a todos los proveedores, desde la infraestructura hasta los componentes, que reduzcan el consumo energético. Desde los primeros días de investigación para mejorar la eficiencia energética de las fuentes de alimentación, AC/DC o DC/DC, los diseñadores de electrónica de potencia exploraron nuevas tecnologías y asociaciones con fabricantes de semiconductores. Se han presentado varios trabajos en APEC y otras conferencias. Merece la pena mencionar a Navitas Semiconductors, que en APEC 2022 presentó "Electrify Our World" introduciendo los beneficios de la GaG en las TIC y, en 2024, la materialización de la utilización de esa tecnología en fuentes de alimentación para centros de datos, donde predijeron que la demanda de potencia por unidad alcanzará finalmente los 10 kW (inserción en Figura 05).

Figura 06 - Las fuentes de alimentación industriales COSEL que adoptan GaN y magnetismo integrado facilitan su integración en espacios reducidos (Fuente PRBX/COSEL)

Explorando las ventajas óptimas de combinar GaN y SiC, la empresa lanzó un diseño de referencia de 8,5kW y 98% de eficiencia, que cumple con las especificaciones del Open Compute Project (OCP), Open Rack v3 (ORv3) y está preparado para las estrictas normas de eficiencia energética (Figura 05). Se trata de una buena representación de lo que se ha conseguido al combinar WBG y otras tecnologías avanzadas para alimentar las aplicaciones TIC actuales y futuras, y cabe esperar más.

Figura 05 - WGB contribuye al suministro eficiente de energía para los centros de datos de IA (Fuente: PRBX con cortesía de Navitas Semiconductor)

Aplicaciones industriales en modo de transición.
LiDAR, los cargadores USB y las TIC representan una parte importante del mercado, pero otros segmentos como el industrial, el ferroviario o el médico también están investigando las ventajas de esta tecnología, aunque tienen ciertas dudas sobre la fiabilidad y disponibilidad de las nuevas tecnologías.

Según los analistas del mercado, a pesar de que el GaN lleva varios años en el mercado, éste sigue fragmentado y cada fabricante de GaN ofrece distintas combinaciones de productos y servicios dirigidos a segmentos específicos. Para sacar el máximo partido del GaN, los diseñadores de potencia deben trabajar en estrecha colaboración con los fabricantes de semiconductores y adoptar soluciones integrales (transistor GaN, driver, protección, etc.) ceñidas a una única fuente, aunque susciten preocupación los riesgos de utilizar productos de un nuevo proveedor con un historial y un bagaje financiero limitados. Eso, sin mencionar algunas aplicaciones, como las ferroviarias, que requieren 25 años de vida útil y la disponibilidad de los productos para su mantenimiento, por lo que una cadena de suministro sólida y sostenible forma parte de la compleja ecuación a la hora de considerar una nueva tecnología.

Debido a ello, la adopción en aplicaciones industriales, ferroviarias y médicas puede ser más lenta que en VE, TIC y particulares, pero el evidente beneficio de la WBG motivó a los diseñadores a explorar esa vía. Un ejemplo es el resultado de la investigación del COSEL para combinar control digital, GaN y magnetismo planar, que permite ofrecer soluciones de alimentación muy compactas y fáciles de integrar en espacios reducidos (Figura 06). Esto permitirá alojar la fuente de alimentación y una batería de reserva en el mismo volumen que la versión convencional de una fuente de alimentación similar. A medida que avancemos hacia nuevas aplicaciones que requieran mayores prestaciones, WBG irá ganando cuotas de mercado y seguirá el mismo camino que siguieron los pioneros.

Conclusión
Muchos de los retos a los que se enfrentaban los diseñadores de potencia cuando se presentó la tecnología WBG hace ocho años en APEC se han superado y no cabe duda de que GaN y SiC han cruzado con éxito el abismo. El número de aplicaciones que adoptan WBG seguirá creciendo, aunque al mismo tiempo están llegando al mercado nuevas tecnologías disruptivas que ofrecen a los diseñadores de potencia interesantes oportunidades de investigación y desarrollo. Empecé mi carrera en el sector de la energía hace más de 40 años, cuando pasé de la conversión de potencia lineal a la conmutada, crucé el abismo varias veces con pasión y me gustaría animar a los jóvenes ingenieros a hacer lo mismo, cruzar el abismo para acercarse a la mítica eficiencia del 99,99%.

Referencias:

Powerbox (PRBX): https://www.prbx.com/

COSEL https://en.cosel.co.jp/

Navitas Semiconductor https://navitassemi.com/

Conversión eficiente de la energía (EPC) https://epc-co.com/epc

Conferencia sobre electrónica de potencia aplicada (APEC) https://apec-conf.org/

GaN Technology - Material, Manufacturing, Devices and Design (Editado por Maurizio Di Paolo Emilio): https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-63238-9

Sobre el autor:
Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación de Powerbox, es un experto en comunicación e ingeniero titulado con 40 años de experiencia en el sector de la electrónica de potencia. Ha sido pionero en la comercialización de nuevas tecnologías como la energía digital y en iniciativas técnicas para reducir el consumo de energía. Le Fèvre ha escrito y presentado numerosos libros blancos y artículos en las principales conferencias internacionales sobre electrónica de potencia. Éstos se han publicado más de 450 veces en medios de comunicación de todo el mundo. También participa en varios foros medioambientales, compartiendo su experiencia y conocimientos sobre energías limpias.

Patrick Le Fèvre
Director de Marketing y Comunicación de Powerbox