El sector de la electrónica de potencia se encuentra de nuevo en un punto de inflexión crucial. La llegada de los semiconductores de banda ancha (WBG), especialmente el nitruro de galio (GaN), está generando mejoras de rendimiento sin precedentes, desde una mayor eficiencia y formatos más pequeños hasta menores requisitos de refrigeración y costes de sistema más bajos. Sin embargo, a pesar de estas convincentes ventajas, su adopción en determinados sectores sigue siendo incompleta, debido a desafíos técnicos y organizativos.

Retos de los cambios tecnológicos
Como empecé mi carrera a finales de los años 80, he sido testigo y he participado en varias transiciones importantes en la tecnología energética. He visto el paso de la conversión lineal a la conmutación de potencia, el cambio de los transistores bipolares a los MOSFET y, más recientemente, la transformación del control analógico a digital. Ahora nos enfrentamos al reto y la oportunidad de adoptar tecnologías WBG como el GaN, pero recordando los cambios tecnológicos anteriores, cada cambio trajo sus propios obstáculos y siempre hay preocupaciones sobre las cadenas de suministro, la fiabilidad y la confianza del cliente y la aceptación de algo nuevo.

GaN: un salto adelante, no un pequeño paso
El GaN ofrece un enfoque fundamentalmente diferente de la conversión de potencia. Su elevada movilidad electrónica y resistencia a la ruptura permiten a los dispositivos conmutar más rápido y manejar tensiones y frecuencias más altas que el silicio tradicional. Esto se traduce en una mayor eficiencia del sistema, diseños más compactos con mejor rendimiento térmico y una mayor frecuencia de funcionamiento, lo que reduce el tamaño de los imanes y mejora la respuesta transitoria. Suena muy bien, pero aprovechar estas ventajas no es tan sencillo como sustituir un dispositivo por otro... ¡ojalá fuera así!

Diseñando la transición: Barreras técnicas y culturales
La adopción de dispositivos GaN exige una nueva mentalidad de diseño. Los ingenieros deben enfrentarse a transiciones de conmutación mucho más rápidas, restricciones de diseño más estrictas y un control más riguroso de la EMI. Aunque estos problemas pueden resolverse con las herramientas y la experiencia adecuadas, suponen un alejamiento de las prácticas tradicionales de diseño de silicio. Más allá de los retos de diseño, el ecosistema en general sigue desarrollándose. La disponibilidad de controladores compatibles con GaN, un embalaje robusto y unas directrices de aplicación claras continúan mejorando, pero siguen percibiéndose como obstáculos, especialmente para las organizaciones reacias al riesgo. Y quizás lo más importante, con razón o sin ella, para muchos usuarios finales la fiabilidad sigue siendo una preocupación clave. Muchos sectores a los que sirve la electrónica de potencia -como el médico, el del transporte y el de la automatización industrial (sin mencionar el espacial y el de defensa)- exigen una fiabilidad extrema y cualquier nueva tecnología debe demostrar su valía a lo largo del tiempo, bajo tensión y sobre el terreno. El sector de la electrónica de potencia está comprometido con para garantizar una transición fluida y fiable mientras trabaja para cambiar la percepción mediante la creación de procesos de transición fiables y de confianza.

Crear confianza en procesos de transición fiables teniendo en cuenta el IPC9592
Todos los fabricantes de fuentes de alimentación desarrollan minuciosamente sus propios procesos para verificar la calidad de sus productos antes de comercializarlos. Todo esto forma parte del saber hacer de las empresas y de sus secretos comerciales, pero me gustaría dedicar un minuto a recordar una iniciativa que tuvo lugar hace veinte años y que contribuyó en gran medida a reducir la brecha de comunicación entre los fabricantes de equipos originales de telecomunicaciones y los proveedores a la hora de considerar las fuentes de alimentación.
En 2005, con la orientación del Instituto de Circuitos Impresos (IPC), un grupo de destacados profesionales de OEM de telecomunicaciones y electrónica de potencia colaboraron para establecer un conjunto de requisitos compartidos para los dispositivos de conversión de potencia. Estos esfuerzos culminaron en la formulación de los "Requisitos de los dispositivos de conversión de potencia para las industrias informática y de telecomunicaciones", que a finales de 2008 se materializaron en la denominada norma IPC9592. El documento incluía directrices para el Diseño para la Fiabilidad, Pruebas de Diseño y Cualificación, y Pruebas de Conformidad del Proceso de Calidad y Fabricación (figura 01). Teniendo en cuenta parámetros adicionales, en 2010 se publicó el IPC9592A, seguido en noviembre de 2012 por el IPC9592B.
Varias empresas de fuentes de alimentación utilizan en parte o en su totalidad la norma IPC9592B, pero como en la última década o más se han producido muchas nuevas tecnologías y condiciones de mercado; por ejemplo, las técnicas de control digital, los semiconductores de banda ancha (WBG) y la ciberresiliencia, naturalmente los usuarios consideran ahora que podría ser necesario actualizar la norma. Grupos de trabajo como el Comité de Fiabilidad de la Asociación de Fabricantes de Fuentes de Energía (PSMA) han iniciado actividades para reiniciar este proceso que, como en su origen, implicará a muchos expertos de múltiples disciplinas.
Es difícil predecir cuándo se publicará la próxima revisión, pero hasta entonces y como complemento a la norma IPC9592B, los fabricantes de fuentes de alimentación que desarrollan productos para aplicaciones exigentes trabajan en estrecha colaboración con los fabricantes de semiconductores, y también llevan a cabo sus propias evaluaciones de componentes WBG, tal y como especifica la norma JEDEC.

Figura 2: Desplazamiento RDS(on) del GaN EPC2045 frente a la tensión de entrada y la temperatura, extraído de la proyección de fiabilidad y vida útil del GaN EPC: Fase 17. (Fuente: por cortesía de Efficient Power Conversion - EPC)

JEDEC y JC-70
Con una larga historia que comenzó en 1924 con la creación de la Asociación de Fabricantes de Radio, al combinar un consejo tanto para tubos como para semiconductores, en 1958 la organización pasó a llamarse Consejo Conjunto de Ingeniería de Dispositivos Electrónicos (JEDEC). JEDEC ha sido la referencia en la industria de los semiconductores y con el desarrollo de nuevas tecnologías, en 2017 se formó el comité JC-70 para Semiconductores de Conversión Electrónica de Potencia de Banda Ancha, junto con dos subcomités: Nitruro de Galio (GaN) y Carburo de Silicio (SiC). En 2019, el JC-70 publicó su primer documento: JEP173: Dynamic On-Resistance Test Method Guidelines for GaN HEMT Based Power Conversion Devices. Desde entonces, el JC-70 ha publicado varios documentos como el JEP198: Guideline for Reverse Bias Reliability Evaluation Procedures for Gallium Nitride Power Conversion Devices, que se utiliza como referencia a la hora de calificar semiconductores GaN.
Las normas JEDEC para WBG son sin duda importantes para los fabricantes de semiconductores, pero también para los fabricantes de fuentes de alimentación como parte de su proceso de desarrollo de nuevos productos y de comprensión de los mecanismos de fiabilidad relacionados con esa tecnología.
Las aplicaciones más exigentes, como las industriales reforzadas o las espaciales, están muy preocupadas por la forma en que los fabricantes de fuentes de alimentación califican los nuevos componentes y les exigen que realicen pruebas individuales a nivel de componente basadas en la norma JEDEC, lo que requiere una estrecha colaboración con los fabricantes de semiconductores de cierto nivel de experiencia en ese ámbito.

Figura 03 - Cálculo y verificación de la vida útil de EPC2212, extraído de la proyección de fiabilidad y vida útil de EPC GaN: Fase 17. (Fuente: Por cortesía de Efficient Power Conversion (EPC))

Crear confianza: Validación de la fiabilidad de EPC
Como hemos presentado, adoptar una nueva tecnología es todo un reto y, a pesar de que los transistores GaN se utilizan en amplificadores de potencia desde hace mucho tiempo, la aplicación de esa tecnología a la electrónica de potencia suscita mucha inquietud, lo que exige un esfuerzo específico por parte de los fabricantes de semiconductores para demostrar no sólo las ventajas, sino también para probar la fiabilidad a largo plazo de esa tecnología.
A este respecto, cabe mencionar a Efficient Power Conversion (EPC), que desarrolló semiconductores GaN en un embalaje muy innovador cuando los semiconductores de potencia GaN eran considerados por muchos como un concepto.
Desde su creación en 2007, para superar el escepticismo, el EPC ha llevado a cabo exhaustivos estudios de fiabilidad para validar el rendimiento de los dispositivos. Los programas de pruebas del EPC incluían pruebas de tensión de polarización de alto voltaje, ciclos de temperatura, ciclos de potencia y pruebas de vida útil acelerada. Estos estudios demostraron que los dispositivos de GaN, cuando se diseñan e integran adecuadamente, no sólo pueden cumplir, sino superar, los puntos de referencia de fiabilidad establecidos por el silicio, que se han presentado en conferencias como la Applied Power Electronics Conference (APEC).
Los resultados experimentales son interesantes, pero igual de importante es que EPC ha publicado sus conclusiones abiertamente, lo que contribuye a crear una base de confianza y comprensión de la tecnología GaN. Desde la Fase Uno, publicada en 2019, hasta la Fase Diecisiete, publicada en 2025, los datos de las pruebas demuestran que los mecanismos de fallo del GaN se conocen bien y son manejables, y que la degradación es predecible en el tiempo, dos características esenciales que los diseñadores deben tener muy en cuenta a la hora de garantizar el funcionamiento en misiones críticas (Figura 02, 03).
Este tipo de validación por terceros es crucial para lograr una mayor aceptación. Salva la distancia entre las ventajas teóricas y el despliegue en el mundo real, sobre todo para los ingenieros responsables de sistemas de larga duración.

COSEL: aplicación de GaN para ofrecer soluciones compactas y eficientes
Establecido en Japón desde 1969, el fabricante de fuentes de alimentación COSEL ha recorrido la larga cadena de la evolución tecnológica y ha sido uno de los pioneros en adoptar la conversión conmutada de potencia y lanzar una gama de productos comerciales, las fuentes de alimentación conmutadas, en 1977. Como todos sabemos, los fabricantes japoneses han sido la referencia en el desarrollo de las mejores prácticas de calidad, por lo que no es de extrañar que, cuando surgió una nueva tecnología como la GaN, tuvieran en cuenta en primer lugar la fiabilidad, antes que cualquier ventaja técnica.

Figura 04 - 1000 horas de fiabilidad de polarización inversa a alta temperatura (HTRB), temperatura ambiente 150 C y 650VDds (Fuente: PRBX/COSEL).

Al cualificar los semiconductores GaN para una nueva generación de fuentes de alimentación, Cosel realizó varias pruebas, como la de fiabilidad de polarización inversa a alta temperatura (HTRB). La prueba de alta HTRB es una de las pruebas de fiabilidad más comunes para dispositivos de alimentación. Dado que las pruebas HTRB estresan la matriz, pueden provocar fugas en las uniones. También pueden producirse cambios paramétricos como resultado de la liberación de impurezas iónicas en la superficie de la matriz, ya sea desde el encapsulado o desde la propia matriz. Durante una prueba HTRB, las muestras del dispositivo se someten a tensión, normalmente hasta el 80 o el 100% del pico repetitivo de tensión inversa (VRRM), a una temperatura ambiente cercana a su temperatura de unión nominal máxima (TJMAX) durante un periodo prolongado, normalmente 1.000 horas. (Figura 04). A continuación, una vez que el transistor de potencia de GaN se ha cualificado e integrado en la etapa de potencia de la fuente de alimentación, se ha realizado una prueba de envejecimiento de 1.000 horas para verificar la estabilidad térmica. (Figura 05).

Figura 05 - Ensayo de envejecimiento de 1000 horas para verificar la estabilidad térmica (Fuente: PRBX/COSEL).

El resultado es una nueva generación de fuentes de alimentación que marcan pautas de rendimiento, densidad y fiabilidad. En sus últimas investigaciones, COSEL demostró que, mediante un cuidadoso diseño conjunto de las etapas magnética, de control y de conmutación, los sistemas de alimentación pueden alcanzar niveles revolucionarios de densidad de potencia, manteniendo al mismo tiempo estrictos objetivos térmicos y de EMI (Figura 06).

Figura 06 - Serie COSEL TE alimentada con transistores GaN y transformadores integrados de bucle corto (Fuente: PRBX/COSEL).

Inspirando a la próxima generación
Lo que más me ilusiona es el entusiasmo y la innovación que impulsa la próxima generación de ingenieros. Los jóvenes diseñadores de hoy aprenden sobre GaN, SiC y control digital como elementos básicos de su formación en ingeniería. No entran en este campo con dudas, sino con espíritu explorador.
No ven la electrónica de potencia como una disciplina estática, sino como una plataforma de invención en la que convergen los materiales, la teoría del control, el envasado y el pensamiento sistémico. Y su apertura a las nuevas tecnologías será el catalizador de los avances del mañana.
Incluso ahora, la industria está mirando más allá del GaN, hacia los semiconductores basados en el diamante, que ofrecen extraordinarias propiedades térmicas y eléctricas. Aunque los dispositivos de diamante aún se encuentran en las primeras fases de investigación, su potencial para redefinir la conversión de alto voltaje y alta frecuencia es enorme. No se trata de ciencia ficción, sino de hacia dónde se dirige la electrónica de potencia.

Conclusión: La oportunidad que se presenta
La adopción de GaN y otras tecnologías WBG es más que un cambio de materiales, es un cambio de mentalidad. Requiere una conmutación más rápida, un control más inteligente y una integración más estrecha. Supone un reto para los diseñadores de sistemas eléctricos, que deben abandonar viejos hábitos y desarrollar nuevas habilidades. Y abre la puerta a eficiencias y capacidades que antes estaban fuera de nuestro alcance.
Gracias a empresas como EPC y COSEL, estamos empezando a ver el impacto tangible de GaN en el mundo real para aplicaciones exigentes. Su trabajo valida la tecnología, reduce la curva de aprendizaje y proporciona a los diseñadores de potencia las herramientas que necesitan para triunfar.
Como alguien que ha visto varias oleadas de innovación en este campo, creo que estamos al principio de uno de los capítulos más emocionantes hasta la fecha. Las tecnologías están aquí, los datos son alentadores y la nueva generación de ingenieros está preparada para tomar la iniciativa.
El futuro de la electrónica de potencia no sólo es más brillante, sino que también será más pequeño, más refrigerado, más rápido y mucho más eficiente. Del GaN al diamante, las posibilidades son ilimitadas.

Referencias:
Powerbox (PRBX)

COSEL

CIP Internacional

Asociación de Fabricantes de Fuentes de Alimentación (PSMA)

JEDEC

Conversión eficiente de la energía (EPC)

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Póngase en contacto con Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación
+46 (0)158 703 00

Referencia: PRBX-A-070-ES

Sobre el autor:
Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación de Powerbox, es un experto comunicador 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 potencia 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.