La tecnología respalda el papel cada vez más importante del ingeniero de potencia
Mientras Nexperia recibe una impresionante calificación de 5* para los ingenieros por la segunda edición de su popular manual de aplicaciones FET, Chris Boyce, director del grupo de productos de la empresa, considera la creciente importancia de estos semiconductores y de los ingenieros de potencia que saben cómo utilizarlos.
La sociedad moderna se enfrenta a un reto energético sin precedentes. Por un lado, debemos satisfacer las demandas de una población creciente y el inexorable aumento del número de aplicaciones que requieren electricidad. Por otro, está el imperativo de evitar una emergencia climática reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero y la dependencia de los combustibles fósiles. Los ingenieros de diseño energético tienen un papel fundamental a la hora de afrontar estos retos, encontrando formas de aumentar el rendimiento y la funcionalidad de los productos al tiempo que se limitan los recursos energéticos. Y una de las formas en que pueden hacerlo es optimizando la eficiencia a través de la selección e implementación juiciosa de la tecnología FET adecuada.
La gestión de la energía asciende en la agenda de diseño
Hoy en día casi no hay aplicaciones en las que la eficiencia energética no esté cerca o en lo más alto de la agenda de diseño. En el caso de los dispositivos IoT, por ejemplo, una gestión cuidadosa de los recursos energéticos puede permitir la incorporación de algún elemento de procesamiento de datos en nodos remotos. En los productos móviles y de consumo, en los que la experiencia del usuario lo es todo, la eficiencia se traduce en un mayor tiempo entre cargas o sustituciones de la batería. Una cuestión similar afecta a los diseñadores de vehículos eléctricos, que buscan soluciones que eliminen la ansiedad por la autonomía, una de las principales barreras para la compra. Por no hablar del hecho de que la proliferación de componentes electrónicos para la seguridad, el confort y el infoentretenimiento y el cambio a vehículos autónomos y conectados requiere más componentes electrónicos que nunca.
En el caso de los centros de datos, los beneficios económicos y medioambientales derivados de la más mínima reducción del uso de energía en millones de ordenadores hacen que la eficiencia sea un objetivo clave en el diseño de los servidores. Y con la producción en kilovatios de los accionamientos de motor, que ya es habitual, el uso eficaz de la energía se ha convertido en la piedra angular del control de movimiento de la automatización de las fábricas, eficiente y preciso. La minimización del uso de la energía también desempeña un papel importante en los últimos desarrollos de las comunicaciones. El despliegue del 5G, en particular, generará una gran demanda de infraestructura basada en equipos de comunicaciones de alta densidad, ultraeficientes y ultrafiables.
Con la gestión eficiente de la energía a la cabeza de la agenda de diseño, la importancia del ingeniero de potencia es muy alta. Además, otros ingenieros que hasta ahora no habían recibido directrices sobre energía se encuentran con que deben ampliar sus conocimientos sobre el diseño de potencia. Esto, a su vez, exige un conocimiento exhaustivo de los componentes que conmutan, convierten y gestionan la energía. Esto hace que saber evaluar, comparar, seleccionar y utilizar las tecnologías FET sea una habilidad esencial.
Retos de diseño
El primer obstáculo es reducir la búsqueda a los dispositivos que más probablemente cumplan los requisitos de la aplicación y compararlos de igual a igual. Con unos 20.000 FET diferentes en el mercado, esto no es tan fácil como parece. Un segundo obstáculo es que las condiciones para las que se indican las especificaciones en las hojas de datos varían significativamente entre los proveedores. Por lo tanto, ser capaz de interpretar las hojas de datos de diferentes fabricantes en el contexto de los requisitos de una aplicación determinada es una habilidad fundamental para el ingeniero encargado de la selección de productos.
Una vez identificada la lista de componentes, será necesario evaluar detalladamente los efectos de factores como las pérdidas por conmutación, conducción y avalancha. Además, las consideraciones de diseño de CEM exigen técnicas para reducir el ruido de conmutación, especialmente en aplicaciones de alta velocidad.
El diseño para la seguridad y la fiabilidad es importante y, en muchos casos, sobre todo en aquellos en los que el espacio es limitado, la gestión eficaz del calor es un reto que hay que tener en cuenta desde el principio. Además de comprender el comportamiento térmico y las implicaciones del encapsulado, es necesario evaluar el impacto de la placa de circuito impreso en la disipación del calor. A veces, las simulaciones que utilizan modelos térmicos RC, por ejemplo, ofrecen una forma rápida y económica de inferir el rendimiento térmico de los MOSFET de potencia utilizando una analogía eléctrica.
Cuando se trata de aplicaciones que requieren MOSFETs de pequeña señal, la corriente de fuga será una consideración importante. Esto es especialmente cierto en el caso de la electrónica móvil, como los teléfonos inteligentes, las tablets, los wearables o los equipos médicos portátiles, donde las fugas de corriente fuera de estado influirán en el tiempo en espera o reposo.
Por último, hay otros factores que deben tener en cuenta los ingenieros que están familiarizados con los MOSFET de silicio pero que ahora se encuentran trabajando con dispositivos construidos con nuevos materiales como el nitruro de galio (GaN). En los diseños de conmutación más rápida basados en GaN, por ejemplo, puede ser fundamental minimizar la inductancia parásita mediante un diseño optimizado de la placa de circuito impreso. Además, hay que tener especial cuidado al utilizar osciloscopios para medir formas de onda de conmutación superrápida.
Evolución del FET
Por supuesto, el concepto de FET no es nuevo. De hecho, el físico polaco-estadounidense Julius E. Lilienfeld presentó la patente del primer transistor de efecto de campo hace casi 100 años. Incluso el FET de superunión (superjunction) lleva entre nosotros desde 1984. Está claro que las cosas han avanzado mucho (sobre todo en lo que respecta a las velocidades de conmutación), pero como tecnología madura ya hemos disfrutado de muchas «victorias fáciles» en cuanto a la eficiencia y el potencial de reducción de tamaño de los dispositivos de uso general. Por eso se está pasando a los FET de aplicación específica o ASFET.
Los ASFET suelen compensar un parámetro con otro para que los diseñadores puedan elegir el dispositivo que mejor se adapte a los requisitos específicos del sistema de destino. Por ejemplo, los diseñadores de fuentes de alimentación conmutadas buscarán un equilibrio entre los parámetros de conmutación dinámica para obtener la máxima eficiencia y una baja resistencia de encendido para condiciones de alta carga. En cambio, los ingenieros que se dedican al control de motores, donde las frecuencias de conmutación suelen ser un orden de magnitud inferior, se preocupan más por los valores máximos de corriente y el rendimiento térmico en caso de rotor bloqueado, así como por la gestión de los efectos EMI. Y los que trabajan en aplicaciones de intercambio en caliente, arranque suave e inserción en vivo prestarán una atención primordial a la zona de funcionamiento seguro (SOA) de los FET. En el otro extremo de la escala de potencia están los MOSFET de baja corriente que se encuentran en aplicaciones como la conversión CC-CC, la conmutación de carga y el cambio de nivel. La combinación del funcionamiento a alta velocidad con las técnicas de encapsulado avanzadas han permitido a los fabricantes desarrollar dispositivos diseñados específicamente para optimizar el rendimiento y, al mismo tiempo, satisfacer los requisitos de densidad de potencia y miniaturización. Una gama tan diversa de aplicaciones es testimonio del éxito y la versatilidad de la tecnología FET, pero está claro que los días de los dispositivos genéricos y de un enfoque de «talla única» han quedado atrás.
La evolución de los FET también implica la disponibilidad de nuevas opciones fabricadas con materiales de banda ancha (WBG) como el nitruro de galio. Estas tecnologías, que ya han cosechado un gran éxito en el campo de la potencia de radiofrecuencia, empiezan a ser comercialmente viables en otras aplicaciones de potencia exigentes en los sectores de la informática, la industria y las telecomunicaciones. Aquí, su combinación de resistencia a la conexión de alta tensión ultrabaja, excelentes cifras de mérito de conmutación, estabilidad térmica y funcionamiento a alta frecuencia los hace ideales para la conversión CA-CC, la conversión CC-CC, la corrección del factor de potencia (PFC) y otras aplicaciones de conmutación de alta potencia, alta densidad y ultravelocidad. Además, el GaN se está convirtiendo en la tecnología de referencia para ofrecer el rendimiento y la eficiencia exigidos por la industria del automóvil para la carga a bordo, la conversión CC-CC y los diseños de inversores de tracción en vehículos eléctricos.
Apoyo al ingeniero
Entonces, ¿qué apoyo hay para un ingeniero que, de buena o mala gana, se encuentra con la tarea de desplegar MOSFETs de potencia, MOSFETs de pequeña señal o FETs de GaN? La buena noticia es que, gracias a las herramientas de diseño online, los FAE, los vídeos de aprendizaje rápido, las completas guías de selección y las notas de aplicación en profundidad, los ingenieros tienen acceso a más recursos que nunca para ayudarles a seleccionar y diseñar con FETs. A estos recursos se suma la última edición del Manual de aplicación de MOSFET y FET de GaN de Nexperia. Esta guía de diseño reúne materiales de referencia relacionados con el uso de MOSFETs y FETs de GaN en sistemas del mundo real, basados en la experiencia que los equipos de ingeniería de Nexperia han acumulado durante muchos años.
El manual de aplicación de los MOSFETs y FETs de GaN de Nexperia puede descargarse o pedirse en formato papel en: https://efficiencywins.nexperia.com/efficient-products/mosfet-and-gan-fet-application-handbook.html
