Dr. Shuilin Tian y Dr. Denis Marcon, Innoscience
El mundo de la electrónica de potencia está aprovechando al máximo las ventajas ofrecidas por el nitruro de galio (GaN). La actividad en los medios, las ferias y las conferencias especializadas se ha visto protagonizada por debates acerca del aumento de la eficiencia y el consumo que se pueden lograr al pasar de los MOSFET de silicio a soluciones de GaN. Las expectativas cambian en función de cada analista, pero casi todos prevén un crecimiento medio interanual del 24% como mínimo hasta 2027, si bien algunas estimaciones son mucho más optimistas, especialmente en ciertos segmentos clave del mercado tan diversos como industria, consumo, telecomunicaciones y automoción. Esto es lo que sabemos. Sin embargo, actualmente junto a la disponibilidad generalizada de dispositivos HEMT de GaN discretos se observa la aparición de soluciones de GaN integradas de los principales fabricantes de GaN que aprovechan las ventajas intrínsecas del GaN y cuentan con el potencial de alcanzar un rendimiento incluso superior.
En primer lugar, vale la pena destacar que la solución integrada no es una panacea universal. Dependiendo de cómo esté seccionado el diseño del circuito, puede ser preferible utilizar un interruptor de GaN de alta eficiencia de tipo discreto. Esto se cumple especialmente si se necesita un determinado driver, si el driver ya está incorporado al controlador o para niveles de potencia superiores a alrededor de 1kW ya que algunas soluciones integradas no se pueden conectar en paralelo. Para tales aplicaciones, y en otras que exijan la máxima flexibilidad de diseño, fabricantes como Innoscience ofrecen una gran variedad de dispositivos discretos entre 30V y 700V con diversos valores de resistencias en conducción.
En otros muchos casos, una solución integrada (p.ej., driver + HEMT o medio puente + driver de GaN) puede reducir el volumen del diseño, ofrecer mayores niveles de potencia y disminuir el número de componentes (lista de materiales más corta). Pongamos como ejemplo el ISG3201, un producto de 100V perteneciente a la familia SolidGaN de Innoscience, constituido por dos dispositivos de GaN en modo de enriquecimiento de 100V 2,3mΩ y un driver de puerta de medio puente de 100V. Este dispositivo, suministrado en un encapsulado LGA de 30 patillas que sólo mide 5×6,5×1,12mm, está destinado a convertidores reductores (Buck) de alta frecuencia, convertidores de medio puente o de puente completo, amplificadores de audio de Clase D, convertidores LLC y módulos de potencia en aplicaciones como controladores de motores, IA, servidores, telecomunicaciones y superordenadores. La Figura 1 muestra un esquema simplificado del dispositivo.
Figura 1.
Una comparación entre el circuito de medio puente basado en MOSFET de silicio avanzados, los dispositivos discretos de GaN y el ISG3201 integrado indica que la solución discreta de GaN ocupa una superficie un 66% menor, tal como cabía esperar, pero el dispositivo SolidGaN integrado es otro 19% más pequeño, es decir, un 73% menos que el circuito de silicio. La Figura 1 también explica cómo el ISG3201 minimiza también la necesidad de componentes externos. La resistencia de control, la etapa de arranque y el condensador de VCC están incluidos en el encapsulado, eliminando así siete componentes (cuatro resistencias y tres condenadores). Una ventaja añadida es que la integración todas estas funciones reducen la inductancia de lazo de la puerta y la inductancia del lazo de alimentación, generalmente alrededor del 40%. La reducción de elementos parásitos también genera menos oscilación, por ejemplo, y disminuye la sobretensión. Esto no solo aumenta la eficiencia y simplifica el diseño, sino que también mejora la fiabilidad ya que la sobretensión se minimiza hasta 4V, un 80% menos que algunos competidores. También se necesitan menos componentes de bloqueo.
El diseño también simplifica el trazado de la etapa de potencia. En algunas configuraciones el nodo de conmutación está entre Vin y PGND, lo cual facilita la construcción del dispositivo pero requiere más componentes externos. El diseño de Innoscience muestra la Figura 2 indica que el nodo de conmutación está en el borde, por lo que solo precisa un condensador de desacoplamiento entre Vin y PGND, y el nodo de conmutación se conecta al circuito externo. Dependiendo de la topología escogida en la etapa de potencia, esto puede ahorrar muchos componentes.
Figura 2.
La Figura 3 muestra la sencillez de los circuitos necesarios para un convertidor Buck (Figura 3a), LLC (Figura 3b), un BLDC trifásico (Figura 3c) y un inversor solar de puente completo (Figura 3d). Una solución discreta precisaría más componentes como se puede ver en la Figura 3a (Buck) y la Figura 3b (LLC).
Figura 3a.
Figura 3b.
Figura 3c y 3d.
El diseño integrado también resulta ventajoso para la fabricación. El montaje de componentes discretos suministrados en un encapsulado WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package) de paso fino es difícil de controlar y limita la cantidad de cobre que se puede utilizar en la placa de circuito impreso. Si bien el GaN suele generar menos calor que el silicio porque es más eficiente, con niveles de potencias más elevados es deseable, incluso primordial, emplear más cobre para mejorar el rendimiento térmico. Gracias al uso de encapsulados integrados con un paso más grande entre patillas se puede usar cobre de dos onzas en lugar de una onza, que es el límite en la práctica para los componentes discretos de paso fino. Esto disminuye la pérdida de potencia e incrementa la eficiencia, ampliando así el rango de potencia de la tecnología GaN. Los ensayos han demostrado que la eficiencia de los diseños de medio puente basados en dispositivos integrados como el ISG3201 es un 0,3% más elevada que las soluciones basadas en dispositivos discretos de GaN debido a la mayor cantidad de cobre en la placa.
Si pensamos en un módulo convertidor CC/CC de 48/12V que funcione a 1MHz, vemos que estas mejoras de la eficiencia empiezan a marcar una diferencia significativa. La Figura 4 indica que se puede mejorar la eficiencia en un 0,7% implementando un diseño basado en el medio puente integrado del ISG3201 en lugar de una solución discreta. Los gráficos térmicos demuestran que, para el mismo aumento de la temperatura, este incremento de la eficiencia significa que se pueden utilizar un 18% más de potencia con la misma técnica de integración.
Figura 4.
Aplicación en el controlador de un motor
La Figura 5 ofrece un ejemplo de aplicación de controlador de un motor de 500W (1000W de potencia máxima) como podría ser una aplicación de electromovilidad. En este diseño, tres circuitos integrados de medio puente SolidGaN ISG3201 pueden sustituir a seis MOSFET de silicio de 90V/4mΩ en encapsulados TO-220 y tres circuitos integrados para el driver de medio puente, además de un puñado de componentes externos, con un ahorro de espacio resultante que se acerca al 90%. Hay un diseño de referencia y una tarjeta de evaluación disponibles.
Figura 5.
El uso de GaN disminuye la distorsión armónica total al menos en un orden de magnitud. Esto reduce el rizado del par, la sobrecorriente y las pérdidas en el devanado. El motor funciona de manera más suave y genera menos ruido audible, lo cual tiene efectos positivos para la fiabilidad y la vida útil del motor.
Figura 6.
Conclusión
Como podemos ver, las soluciones integradas ofrecen numerosas ventajas, entre ellas su tamaño y eficiencia, si bien las soluciones discretas de GaN siguen alcanzando una mayor flexibilidad de diseño y puede ser la única opción disponible para potencias más altas hasta que se logre un mayor nivel de conexión en paralelo de dispositivos integrados, algo que está previsto. Pero sea cual sea su elección, el GaN, en uno u otro formato, será probablemente la respuesta.
