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Los nuevos productos de GaN incorporan conmutación de alta frecuencia a una gama cada vez más amplia de aplicaciones

La tecnología de los transistores de efecto de campo (FET) de silicio ha sido la preferida en numerosas aplicaciones de potencia durante décadas. En ese tiempo, los fabricantes han logrado grandes avances en la reducción de la resistencia en conducción además de mejorar la tensión de ruptura con el fin de reducir las pérdidas y mejorar los márgenes de seguridad, respectivamente.

Técnicas de fabricación innovadoras, como las arquitecturas verticales que aprovechan al máximo la oblea de silicio, han hecho que los proveedores mejoren la frecuencia de conmutación aumentándola. Esto a su vez permite reducir el tamaño y el peso de la fuente de alimentación con componentes magnéticos y pasivos de menor tamaño. Sin embargo, es difícil evitar las pérdidas que se producen cuando cambia el estado del transistor ya que las propiedades del silicio hacen que se tarde un tiempo en eliminar los portadores cuando se apaga el canal. Además es inevitable que en el proceso de diseño haya un equilibrio entre la resistencia en conducción y la tensión de ruptura.
Aunque la tecnología de silicio puede proclamar su madurez y rentabilidad, ahora la atención se está centrando en los materiales como el nitruro de galio (GaN) para mejorar el rendimiento de los circuitos de alimentación. Una ventaja clave del GaN es su energía de salto de banda de 3,4 eV, varias veces mayor que los 1,1 eV del silicio. Esta propiedad provoca un aumento de la tensión de ruptura que los diseñadores pueden traducir en unos transistores de dimensiones más reducidas. Esto puede producir capacidades de salida y de puerta más bajas, lo que puede mejorar las frecuencias de conmutación hasta el orden de los megahercios.
El segundo atributo clave del GaN es su mayor movilidad intrínseca de portadores. La movilidad de los electrones del GaN es casi un 40 % mayor que la del silicio. La alta movilidad es el resultado de la manera en que se forma un gas de electrón bidimensional en las interfaces entre los materiales del componente, una característica intrínseca de los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) y que se encuentra en otros materiales, como el arseniuro de galio (GaAs). La alta movilidad además permite una baja resistencia en conducción que se adapta al funcionamiento con una corriente elevada.
En comparación con el silicio, los dispositivos de GaN pueden trabajar con altas temperaturas, algo que sería difícil para los dispositivos de silicio. Ello abre la posibilidad de recurrir a disipadores más pequeños, ayudando así a reducir aún más el volumen y el peso de la electrónica de alimentación.

Aspectos sobre el diseño de dispositivos de GaN
Aunque el rendimiento de los dispositivos de GaN ofrece ventajas muy relevantes si se comparan con los de silicio similares, hay que tener en cuenta diversos factores relacionados con el diseño. Pese a que la conmutación rápida es beneficiosa en cuanto a tamaño y eficiencia, los altos cambios de corriente y el tiempo combinado con las inductancias parásitas pueden crear tensiones transitorias indeseadas en las placas de circuito impreso. Estos transitorios pueden interferir con los circuitos de la puerta y del controlador del dispositivo y pueden generar oscilaciones sostenidas que deben suprimirse para un funcionamiento seguro. Los diseñadores pueden controlar estas condiciones mediante técnicas a nivel de la placa que minimizan las inductancias parásitas mediante la aplicación de componentes atenuadores, como condensadores con una baja resistencia serie equivalente.
Asimismo, el comportamiento de algunos tipos de GaN puede ser desconocido para los diseñadores que están acostumbrados a diseñar con circuitos MOSFET de silicio. Muchos transistores de potencia de GaN son dispositivos normalmente encendidos en modo de empobrecimiento, mientras que los MOSFET generalmente están normalmente apagados y en modo de enriquecimiento. Esto requiere algunos cambios sutiles en el circuito del controlador de puerta, como la capacidad de aplicar tensiones negativas para apagar por completo el FET de GaN. Otro aspecto que se debe tener en cuenta es el tratamiento de las elevadas pendientes de salida que se encontrará en particular en el lado alto de los convertidores de potencia de medio puente. Los controladores de puerta deben ser capaces de lograr una buena inmunidad frente a transitorios en modo común.
Con su gama variada de nuevos productos de GaN en el mercado, los fabricantes líderes de semiconductores, como Infineon Technologies, Nexperia y NXP, están diseñando soluciones para ayudar a los ingenieros a superar los desafíos de la nueva tecnología e incorporar las ventajas de la tecnología de GaN en sus diseños.


Soluciones integradas en beneficio de los diseñadores
Una forma de afrontar las limitaciones del diseño de placas con baja inductancia parásita para la tecnología de GaN es emplear una solución integrada como GAN063-650WSAQ de Nexperia. El FET de GaN de 650 V y 50 mΩ es un dispositivo normalmente apagado que combina las avanzadas tecnologías de MOSFET de silicio de baja tensión y GaN de alta tensión de Nexperia.
El GAN063-650WSA es apto para convertidores de potencia en aplicaciones industriales y de comunicaciones, inversores fotovoltaicos, controladores de motores y etapas de entrada destinadas a la corrección de factor de potencia, y reúne en un solo encapsulado las tecnologías de MOSFET de silicio y GaN para brindar numerosas ventajas a los diseñadores. La primera ventaja que proporciona encapsular juntos los diferentes tipos de dispositivos en lugar de montarlos por separado en la placa son las bajas inductancias parásitas en el circuito del controlador de puerta. La segunda ventaja es que el producto se presenta como un dispositivo normalmente apagado en modo de enriquecimiento que puede conectarse con facilidad a un circuito de controlador de puerta convencional ya que el MOSFET de silicio es un dispositivo de 30 V que controla un transistor de potencia de 650 V. Por último, los dispositivos combinados garantizan una alta inmunidad a transitorios en topología de potencia de conmutación dura, como la configuración de polo tótem privilegiada en las etapas de entrada destinadas a la corrección del factor de potencia, así como las topologías que emplean técnicas de conmutación más suaves.


Flexibilidad para dispositivos robustos y de alta temperatura
Infineon, que atesora una larga experiencia en el diseño de los transistores de potencia, ha adoptado varias tecnologías con el fin de ofrecer la adecuada para cada mercado objetivo. Infineon actualmente cuenta con dispositivos de silicio en arquitecturas tanto de MOSFET como transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) además de GaN y carburo de silicio (SiC), un material apto para temperaturas muy altas y donde la robustez es un requisito esencial.
Una característica importante del IGT60R070D1 y otros dispositivos pertenecientes a la familia CoolGaN de transistores de 600 V es que ofrecen funcionamiento de modo de enriquecimiento y una integración más fácil en los diseños de circuitos junto con las ventajas de gran velocidad de conmutación. El IGT60R070D1 tiene una resistencia en conducción de tan solo 70 mΩ, una capacidad de puerta de 5,8 nC y una conmutación más robusta.
Para facilitar la aplicación de tensiones de puerta más altas de los dispositivos de GaN, Infineon ha diseñado la gama de circuitos integrados EiceDRIVER. Estos controladores de puerta permiten conmutación rápida en un transistor de GaN, como el IGT60R070D1, gracias a su mayor inmunidad a transitorios de modo común. Además de ofrecer al diseñador la flexibilidad de ajustar la distribución del dispositivo en la placa, el controlador de puerta EiceDRIVER aislado genera la tensión puerta-fuente negativa que se necesita para garantizar estados de desconexión seguros durante los transitorios de conmutación y proteger el transistor de potencia frente a señales falsas de encendido. El aislamiento galvánico integrado significa que los circuitos integrados de controlador de puerta pueden proporcionar el apoyo requerido para implementar las aplicaciones de medio puente y conmutación dura, como la topografía de polo de tótem para la corrección de factor de potencia.


Posibilidad de alimentación por RF
Las altas frecuencias de conmutación que se logran con el GaN son aptas para una gran variedad de aplicaciones de alimentación por RF, como calefacción industrial, soldadura y sellado por calor y generación de plasma. Los transistores de GaN de potencia RF de NXP, como el MRF24G300HS, están diseñados para alimentación por RF en la banda industrial, científica y médica (ISM) sin licencia de 2400 a 2450 MHz del espectro radioeléctrico. Para ofrecer un alto rendimiento térmico, el transistor de GaN se implementa en un sustrato de SiC, lo cual ayuda a proporcionar un funcionamiento de onda continua o de pulsos. Bajo condiciones de onda continua, el dispositivo puede generar una salida de potencia de 336 W.
La tecnología de GaN ofrece ventajas muy sustanciales respecto a la tecnología tradicional de MOSFET de silicio, lo cual seguirá apoyando la creación de nuevas aplicaciones a medida que se crean fuentes de alimentación más compactas y eficientes. Para aprovechar al máximo la tecnología de GaN, los ingenieros pueden consultar a los distribuidores globales de electrónica que cuenten con gran capacidad de soporte al diseño propio, como Farnell, con el fin de encontrar el dispositivo correcto y tener acceso a la experiencia necesaria para diseñar su siguiente proyecto y potencialmente explorar nuevos mercados.

Resumen:
La clave para dar el siguiente paso crucial hacia un mundo con eficiencia energética es el uso de nuevos materiales, como los semiconductores con un gran salto de banda, que posibilitan una mayor eficiencia energética, un menor tamaño, un peso más ligero, un coste general más bajo, o una combinación de todos estos factores. Aunque la tecnología de silicio puede proclamar su madurez y rentabilidad, ahora la atención se está centrando en los materiales como el nitruro de galio (GaN) para mejorar el rendimiento de los circuitos de alimentación.

Los fabricantes líderes de semiconductores, como Infineon Technologies, Nexperia y NXP, están diseñando soluciones para ayudar a los ingenieros a superar los desafíos de la nueva tecnología e incorporar las ventajas de la tecnología de GaN en sus diseños.

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