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La tecnología de nitruro de galio (GaN) revolucionará las fuentes de alimentación para el mercado de atención sanitaria a domicilio

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Andrew Bryars, Product Manager – XP Power

En la actualidad es cada vez más frecuente recibir atención y monitorización médica fuera de los lugares habituales, como hospitales, clínicas o consultorios. Esto alivia la presión en los entornos clínicos gracias a la creciente disponibilidad de procedimientos médicos y al envejecimiento de la población mundial, que ha aumentado el número de personas de más edad que necesitan cuidados médicos.

La atención sanitaria a domicilio ofrece una experiencia de tratamiento más relajada porque reduce el estrés y la ansiedad de los pacientes. La nueva tecnología también permite disponer de aplicaciones cosméticas en el hogar.

Durante la pandemia de Covid-19 se produjo un notable auge de la atención sanitaria a domicilio debido a la falta de camas y al deseo de mantener tan separados como fuera posible del resto de la población a los pacientes de Covid.

Este desarrollo llegó a un mercado que ya estaba expandiendo con la irrupción de equipos más compactos y de una mayor conectividad que ofrecían la posibilidad de monitorización remota a los equipos médicos. Solo en EE.UU., hasta 265 millones de dólares en servicios actualmente suministrados en centros médicos podrían derivarse a los domicilios en 2025 según McKinsey & Company.

En este contexto, los equipos de monitorización, de diagnóstico y terapéuticos a domicilio representan más de la mitad de la demanda, por lo que se trata de un mercado relevante y en pleno crecimiento.

Alimentación de equipos de atención sanitaria a domicilio

A medida que se añaden nuevas funciones a los dispositivos de atención sanitaria a domicilio se exige que la fuente de alimentación suministre una mayor potencia. Algunos de los productos más nuevos ya se encuentran en el rango más alto de la potencia entregada por fuentes externas.

El montaje externo de la fuente de alimentación presenta varias ventajas. La principal es que el aislamiento de protección, primordial para los dispositivos conectados a los pacientes, deja de ser un motivo de preocupación para el fabricante ya que entregan un equipo previamente certificado por un especialista en fuentes de alimentación.

Para mantener la portabilidad y la comodidad, los diseñadores se enfrentan al reto de proporcionar potencias más elevadas en unidades que apenas son más grandes que sus predecesoras de menor potencia. Los aspectos más destacables en este reto son la densidad de potencia y la gestión térmica ya que la eliminación del calor exige recurrir a dispositivos como disipadores que aumentan el tamaño, el peso y el coste.

Como sabrán los diseñadores de potencia, la manera de reducir el calor desperdiciado es optimizar la eficiencia de la fuente de alimentación. Sin embargo, es posible que este nivel de eficiencia no sea factible con semiconductores basados en silicio (Si).

Tecnología de amplia banda prohibida

La necesidad de proporcionar niveles más altos de potencia en soluciones de pequeño tamaño no es un rasgo exclusivo de la atención sanitaria a domicilio. Los diseñadores de soluciones para vehículos eléctricos y energías renovables, entre otras, afrontan retos parecidos y recurren cada vez más a la denominada tecnología de amplia banda prohibida o WBG (wide bandgap) con el fin de superar las limitaciones del silicio.

Esta “banda prohibida” alude a la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción. En los dispositivos compuestos por carburo de silicio (SiC) o nitruro de galio (GaN), esta banda prohibida es notablemente mayor, lo cual permite que los dispositivos de potencia funcionen con tensiones, temperaturas y frecuencias más elevadas.

En los dispositivos de GaN, la tensión de ruptura es unas 30 veces mayor que para el Si. Esto permite aumentar los niveles de dopado y por tanto disminuir la resistencia en conducción entre drenador y fuente (RDS(ON)), lo cual a su vez reduce las pérdidas en conducción y la correspondiente generación de calor desperdiciado.

Figura 1: El GaN ofrece la resistencia en conducción más baja para una tensión de ruptura determinada entre todos los materiales utilizados en la actualidad.

Los dispositivos semiconductores también sufren pérdidas durante el proceso de conmutación ya que la corriente empieza a circular mientras la tensión drenador-fuente (VDS) sigue siendo alta. No obstante, dado que los dispositivos de GaN puede conmutar a más velocidad, estas pérdidas se reducen significativamente si se comparan con el Si o incluso con el SiC.

Para evitar el disparo cruzado (shoot through), consistente en la creación de un cortocircuito durante la conmutación cuando se provoca un tiempo muerto en el que ambos interruptores están desconectados es una configuración de medio puente y la corriente sigue fluyendo durante este tiempo. En los dispositivos de Si lo hace a través del diodo estructural, cuyas pérdidas son relativamente elevadas si se compara con el GaN, cuyos dispositivos no tienen diodo estructural, por lo que la corriente circula a través de RDS(ON). Esto permite que el funcionamiento sea más eficiente.

Como resultado de las menores pérdidas de conmutación, las fuentes de alimentación basadas en GaN pueden funcionar a frecuencias más altas, generalmente de 200 kHz como mínimo, que es más del doble que en una solución basada en Si que funcione en el rango de 60-100 kHz. Este aumento de la frecuencia de conmutación permite disminuir significativamente el tamaño del transformador, los inductores y los condensadores de salida.

Dado que se genera menos calor desperdiciado y que los dispositivos de GaN pueden funcionar a una temperatura más alta conservando su fiabilidad, se puede reducir o incluso eliminar la necesidad de dispositivos de gestión térmica como disipadores de calor, estructuras o ventiladores. Esto contribuye a reducir el peso y el tamaño así como a incrementar la densidad de potencia.

La reducción de tamaño también implica la necesidad de usar menos materiales (metal, plástico, cobre), por lo que los productos de GaN son más sostenibles y generan menos residuos al finalizar su vida útil.

Una solución de potencia basada en GaN para aplicaciones médicas

Si se comparan con las soluciones existentes, las soluciones de GaN ocupan menos espacio y no requieren ventilador, por lo que reducen el espacio típico necesario en un 50%, para ofrecer las densidades de potencia más altas en su segmento, de hasta 11 W/pulgada cúbica. Esto garantiza sus dimensiones compactas y contribuye a obtener una solución práctica y portátil para la atención sanitaria a domicilio.

Un ejemplo de ello es la serie AQM de XP Power, formada por fuentes de alimentación médicas externas de 200W, 250W y 300W que aprovechan las ventajas de la tecnología de GaN para alcanzar eficiencias de hasta el 94%.

aqm xppower

Figura 2: La serie AQM de XP Power es una solución compacta de alimentación para aplicaciones médicas basada en GaN.

La atención sanitaria a domicilio es un sector importante y en auge, pero para lograr todo su potencial, las soluciones de alimentación que precisa deben suministrar más potencia en un formato compacto. Las tecnologías existentes, como el Si, están llegando a sus límites, de ahí que los diseñadores de soluciones de alto rendimiento recurran a materiales WBG como el GaN para ofrecer soluciones las compactas pero potentes que el mercado necesita.

El GaN se caracteriza por sus menores pérdidas, una conmutación más rápida y una temperatura más alta de funcionamiento que el Si, todo lo cual a su vez reduce el tamaño de los componentes y de las necesidades de gestión térmica, con el consiguiente aumento significativo de la densidad de potencia.