Autor: Mitchell Mallet, Ingeniero de Aplicaciones de TT Electronics
Los semiconductores basados en silicio han dominado la industria electrónica durante más de 70 años. Su relación entre coste y rendimiento, su abundancia y sus propiedades eléctricas se conocen bien, de ahí que se haya convertido en el material más utilizado en este sector. Componentes semiconductores como transistores, circuitos integrados (CI) y diodos suelen utilizar materiales con silicio (Si) en su composición para realizar las funciones para las que fueron diseñados.
En un mundo dominado por la electrónica, los consumidores buscan dispositivos cada vez más pequeños y ligeros. Lo mismo ocurre con las fuentes de alimentación, que suelen ser los “componentes” más grandes en cualquier sistema. La densidad de potencia es un parámetro muy citado ya que los diseñadores se esfuerzan por integrar la máxima potencia en el menor espacio posible. La tecnología de nitruro de galio (GaN) ofrece al sector de las fuentes de alimentación una serie de oportunidades que le permiten mejorar la conversión de potencia con el fin de reducir el tamaño total de las fuentes de alimentación.
¿Qué es el GaN?
El GaN es un material semiconductor con una amplia banda prohibida (bandgap), lo cual significa que se caracteriza por una diferencia de energía tres veces mayor entre sus bandas de valencia y de conducción si se compara con el Si tradicional. Generalmente no ha venido ofreciendo una relación entre coste y rendimiento ni una disponibilidad tan amplia como el Si; no obstante, durante los últimos años ha alcanzado un precio competitivo, especialmente en aplicaciones de bajo consumo. Además, cuando se compara con los componentes basados en Si, el GaN mejora la movilidad de los electrones y las características térmicas, de ahí que sea perfecto para optimizar la eficiencia y abrir nuevas oportunidades en la industria electrónica, sobre todo en el segmento de las fuentes de alimentación conmutadas (FAC).
El GaN no es una nueva tecnología en el ámbito de la conversión de potencia. De hecho, sus primeras aplicaciones se remontan a la década de 1970, cuando se dopaba con magnesio para crear los primeros LED capaces de emitir luz azul. A principios de la década de 2000 se presentaron los transistores HEMT (high electron mobility transistors) con GaN para aplicaciones de radiofrecuencia (RF). Sin embargo, la tecnología GaN es relativamente nueva para la conversión CA/CC de bajo consumo y viene impulsada por su amplia disponibilidad, y en consecuencia por su reducción de coste en grandes cantidades. En la década de 2010, el uso de transistores FET (field-effect transistors) basados en GaN se generalizó en el mercado de consumo, sobre todo para aplicaciones de alta potencia.
Pero ¿qué ventajas aporta la tecnología GaN al diseñar fuentes de alimentación?
Principales ventajas del GaN
Las FAC de gama alta utilizan los FET como dispositivos de conmutación rápida para alimentar las cargas de manera eficiente. La conmutación del FET se realiza por medio de circuitos integrados que gestionan la puerta y responden a variaciones de las cargas a través de un circuito de control que monitoriza la salida de la fuente de alimentación. Aunque los transistores MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistors) tradicionales basados en Si son muy utilizados en las FAC, estos diseños siguen presentando un nivel significativo de pérdidas. Los principales tipos de pérdidas son las de conducción, conmutación y recuperación inversa. Gracias a la movilidad superior de sus electrones y a sus características térmicas, la tecnología GaN abre nuevas oportunidades para que los ingenieros puedan incrementar la eficiencia al diseñar sus fuentes de alimentación, disminuyendo al mismo tiempo el tamaño total.
Pérdidas de conducción
Los FET de GaN funcionan de un modo similar a los MOSFET. No obstante, sus características térmicas y la elevada movilidad de sus electrones permiten minimizar estas pérdidas. Una de las características más destacables de un FET de GaN es que su resistencia entre drenador y fuente (RDS(on)) tiene un valor significativamente más bajo. Cuando el FET está en modo de saturación, la potencia se disipa en forma de calor. La siguiente ecuación expresa esta relación:
Por tanto, con los FET de GaN se pierde menos potencia en forma de calor cuando se encuentran en modo de saturación. Como nota añadida, las pérdidas de conducción de un dispositivo de GaN son como los de un dispositivo BJT (bipolar junction transistor).
Pérdidas de conmutación
Las pérdidas de potencia también son el resultado del proceso de conmutación del FET. Estas pérdidas se deben a la capacidad de entrada (Ciss) y a la cantidad de carga eléctrica necesaria para conmutar un FET, también denominada carga de puerta (Qg), así como de la tensión entre la puerta y la fuente (VGS). La siguiente fórmula vincula estos parámetros:
Cuando la puerta del FET se carga y descarga, las pérdidas de potencia al conmutar (Psw) se producen en forma de calor. Esta ecuación ofrece su cálculo aproximado:
Los FET de GaN tienen una menor capacidad de entrada y, por tanto, una menor carga de puerta. Una frecuencia de conmutación elevada (fsw) reduce las pérdidas de conmutación, lo cual contribuye a mejorar la eficiencia en su conjunto (ver Figura 1).
Figura 1. Comparación entre las pérdidas de conmutación del GS66508T y el C3M0065090J para 400V/15A.
Pérdidas de recuperación inversa
Los FET de GaN no tienen pérdidas de recuperación inversa. En un MOSFET basado en Si, las pérdidas de recuperación inversa se producen a causa del diodo estructural localizado en la unión del canal P o N. Las pérdidas se generan durante las transiciones del MOSFET entre la polarización directa (conducción) y la polarización inversa (no conducción). Esta característica parásita en todos los diodos es el resultado de la carga almacenada en el diodo entre los estados. Como los FET de GaN no tienen diodos estructurales, estas pérdidas se eliminan.
En suma, el GaN ofrece lo mejor de las tecnologías MOSFET y BJT ya que combina la facilidad de accionamiento de un MOSFET con las bajas pérdidas de conducción de un BJT. Gracias a ello se consigue aumentar la eficiencia operativa, lo cual a su vez reduce las pérdidas de potencia en la fuente de alimentación.
Reducción de tamaño
Las propiedades del GaN como material no solo permiten que el FET sea más pequeño que un FET basado en Si sino que además, al sufrir menos pérdidas de potencia, necesitan menos técnicas de disipación del calor. Esto significa que los diseñadores de la fuente de alimentación pueden ahorrar aún más espacio al emplear componentes más pequeños para disipar calor, de modo que el tamaño total aún se reduce más.
Además, la fsw más rápida del FET basado en GaN permite disminuir el tamaño de unos componentes pasivos que siempre se han caracterizado por su gran tamaño: los transformadores e inductores, que se suelen utilizar en los FET basados en Si. Esta reducción del tamaño también contribuye a disminuir la superficie ocupada por la FAC.
Figura 2. Serie TEAD360 de TTE.
Las familias de adaptadores de corriente CA de sobremesa de GaN TEAM y TEAD de TT Electronics suministran una potencia de 45W a 420W y destacan especialmente por su alta densidad de potencia (Figura 2). Estos nuevos adaptadores de corriente son un 30% más ligeros y un 40% más pequeños que las familias PEAM y PEAD de sobremesa ya existentes de la propia compañía, certificadas para aplicaciones ITE y médicas. Esta reducción de tamaño y peso, que ha sido posible gracias a la tecnología GaN, permite obtener un perfil delgado que cubre las necesidades del sector médico y de la electrónica industrial.
Trabaje con un experto
La tecnología GaN ha surgido como una fuerza transformadora en el diseño de fuentes de alimentación ya que ofrece numerosas ventajas respecto a los semiconductores tradicionales basados en silicio. Gracias a la movilidad superior de sus electrones, sus características térmicas y su capacidad para funcionar a frecuencias más altas, el GaN permite a los ingenieros crear fuentes de alimentación que no solo son más eficientes sino que además su tamaño es notablemente más reducido.
Las principales ventajas del GaN, como sus pérdidas más bajas de conducción, conmutación y recuperación inversa, se traducen en mejoras tangibles para el rendimiento de la fuente de alimentación. Entre tales mejoras se encuentra su mayor eficiencia operativa, que a su vez conlleva unos requisitos menos exigentes por lo que se refiere a la disipación de calor. En consecuencia, esto permite reducir el tamaño de los componentes pasivos, algo que en última instancia también disminuye la superficie ocupada por la fuente de alimentación.
Las familias de GaN TEAM y TEAD de TT Electronics ejemplifican la aplicación práctica de la tecnología GaN y demuestra cómo puede conducir al desarrollo de adaptadores más ligeros y pequeños sin que ello afecte a la potencia de salida. A medida que la tecnología GaN siga madurando y sea más económica, está llamada a revolucionar el sector de las fuentes de alimentación al satisfacer la incesante demanda de dispositivos electrónicos más eficientes que ocupen menos espacio.
El primer paso para optimizar la conversión de potencia en su próximo diseño es trabajar junto a un experto en fuentes de alimentación. El equipo de ingeniería de TT Electronics en su centro de ingeniería especializado en fuentes de alimentación situado en Boston (EE.UU.) puede trabajar con usted, como si fuera una extensión de su propio equipo de ingeniería, para identificar e implementar la solución de alimentación ideal. TT Electronics tiene un largo historial de colaboración con fabricantes para que estos obtengan las especificaciones requeridas por la aplicación por medio de la modificación y la personalización de cada fuente de alimentación.
