Los componentes de alimentación GaN y las herramientas de ADI impulsan las oportunidades de diseño.

Los semiconductores de nitruro de galio (GaN) han recorrido un largo camino desde que, a principios de la década de 1990, se convirtieron en diodos emisores de luz (LED) azules de gran luminosidad y, posteriormente, en una tecnología esencial para los reproductores de discos ópticos Blu-ray. Pasarían casi dos décadas antes de que la tecnología fuera comercialmente viable para los transistores de efecto de campo (FET) de alta eficiencia energética.

GaN representa actualmente uno de los segmentos de mayor crecimiento de la industria de semiconductores, con estimaciones de crecimiento anual compuesto que oscilan entre el 25% y el 50%, impulsado por la demanda de dispositivos con mayor eficiencia energética para cumplir los objetivos de sostenibilidad y electrificación.

Los transistores GaN pueden utilizarse para diseñar dispositivos más pequeños y eficientes que los de silicio. Utilizado inicialmente para sistemas de amplificación de microondas de alta potencia, las economías de escala en la fabricación de GaN y la capacidad de crear amplificadores pequeños y más potentes han ampliado su uso hasta crear un mercado de dispositivos multimillonario que abarca aplicaciones de consumo, industriales y militares.

Se cree que los MOSFET de silicio han alcanzado sus límites teóricos para la electrónica de potencia, mientras que los FET de GaN aún tienen un gran potencial para seguir mejorando su rendimiento. Los semiconductores GaN suelen utilizar sustratos de carburo de silicio (SiC), seguidos del silicio, más económico, o el diamante, el más eficaz y caro. Los dispositivos de GaN funcionan a temperaturas más elevadas con mayor movilidad y velocidad de electrones que los dispositivos basados en silicio y con una carga de recuperación inversa baja o nula.

Los semiconductores de potencia de GaN presentan una densidad de potencia unas cinco veces superior a la de los semiconductores amplificadores de potencia de arseniuro de galio (GaAs). Con una eficiencia energética del 80% o más, los semiconductores de GaN ofrecen una potencia, un ancho de banda y una eficiencia superiores a alternativas como el GaAs y los semiconductores de óxido de meta de difusión lateral (LDMOS). La tecnología se utiliza ahora en diversas aplicaciones que van desde adaptadores de corriente de carga rápida hasta dispositivos de detección y localización de luz (LiDAR) incorporados a sistemas avanzados de asistencia al controlador (ADAS) para automóviles.

Los centros de datos representan otro mercado emergente para los dispositivos basados en GaN, que pueden satisfacer los crecientes requisitos de consumo energético y refrigeración para reducir costes, así como ayudar a resolver las crecientes disputas medioambientales a las que se enfrentan los operadores en los ámbitos normativo y político.

Los fabricantes de semiconductores y las empresas de estudios de mercado también prevén un mercado creciente de aplicaciones de baja y alta tensión en vehículos eléctricos, desde baterías más eficientes hasta inversores de tracción de baterías.

Hasta la fecha, los dispositivos de SiC han dominado este campo. Al igual que el GaN, se trata de semiconductores de banda prohibida (WBG) con alta movilidad de electrones que "permiten que los componentes electrónicos de potencia sean más pequeños, rápidos, fiables y eficientes que los de silicio (Si)".El GaN tiene una banda prohibida de 3.4 eV, frente a los 2.2 eV del SiC y los 1.12 eV del SI.

Los semiconductores de potencia GaN y SiC funcionan a frecuencias más altas y tienen velocidades de conmutación más rápidas y menor resistencia a la conducción que el silicio. Los dispositivos de SiC pueden funcionar a voltajes más altos, mientras que los de GaN proporcionan una conmutación más rápida con menos energía, lo que permite a los diseñadores reducir el tamaño y el peso. El SiC puede soportar hasta 1,200 voltios, mientras que el GaN se considera más apropiado para hasta 650 voltios, aunque recientemente se han introducido dispositivos de mayor voltaje.

El GaN puede proporcionar unas 10 veces más potencia en el rango de frecuencias que el GaAs y otros semiconductores (Figura 1).

Figura 1: Comparación de la electrónica de potencia en la gama de frecuencias de microondas. (Fuente: Analog Devices, Inc.)

Consideraciones sobre el diseño

Se calcula que el 70% o más de la energía eléctrica consumida en todo el mundo es procesada por la electrónica de potencia. Con las características WBG del GaN, los diseñadores pueden crear sistemas electrónicos de potencia más pequeños, utilizando una mayor densidad de potencia, una eficiencia superior y velocidades de conmutación ultrarrápidas.

Esta tecnología permite la innovación en múltiples mercados, como la electrónica de potencia, la automoción, el almacenamiento de energía solar y los centros de datos, entre otros. Altamente resistentes a la radiación, los dispositivos GaN son idóneos para las nuevas aplicaciones militares y aeroespaciales.

Es posible que algunos diseñadores electrónicos se hayan alejado de los dispositivos de potencia GaN debido a percepciones erróneas sobre el costo de los materiales. Aunque en un principio la fabricación de sustrato de GaN era muy superior a la de Si, ese diferencial ha disminuido considerablemente, y la utilización de distintos sustratos ofrece a los diseñadores la posibilidad de encontrar el mejor compromiso entre coste y rendimiento.

GaN-on-SiC ofrece a los diseñadores el mayor potencial de mercado con la mejor relación costo-rendimiento. Sin embargo, con las opciones de GaN sobre Si y GaN sobre diamante, los diseñadores de productos pueden seleccionar el sustrato más adecuado para satisfacer las necesidades de precio/rendimiento de sus organizaciones y clientes.

Debido a las elevadísimas velocidades de conmutación del GaN, los diseñadores deben prestar especial atención a las interferencias electromagnéticas (EMI) y a la forma de mitigarlas en el diseño del bucle de alimentación. Los controladores de compuerta activos, esenciales para evitar la sobrecresta de voltaje, pueden reducir la EMI (interferencia electromagnética) de las formas de onda de conmutación.

Otro problema clave del diseño es la inductancia y la capacitancia parásitas que pueden provocar falsos disparos. Maximizar las ventajas de rendimiento depende de la disposición óptima de los lazos de alimentación laterales y verticales y de la adecuación de la velocidad del controlador a la velocidad del dispositivo.

Los diseñadores también deben optimizar la gestión térmica para evitar un calentamiento excesivo que pueda comprometer el rendimiento y la fiabilidad. El embalaje debe evaluarse en función de su capacidad para reducir las inductancias y disipar el calor.

Fuentes de amplificadores de potencia de GaN de Analog Devices

Los sistemas electrónicos requieren una conversión entre el voltaje de la fuente de energía y el voltaje de los circuitos que necesitan ser alimentados. Analog Devices, Inc. (ADI), empresa líder en semiconductores desde hace muchos años, tiene como objetivo ofrecer un amplificador de potencia de GaN líder en el sector, junto con asistencia técnica, que permita a los diseñadores alcanzar los máximos objetivos de rendimiento y comercializar sus soluciones con mayor rapidez.

Los controladores de compuerta y los controladores reductores (o buck) son esenciales para maximizar las ventajas de los dispositivos de potencia GaN. Los controladores de GaN de medio puente mejoran las prestaciones de conmutación y la eficiencia global de los sistemas de potencia. Los convertidores reductores de CC a CC convierten una tensión de entrada más alta en una tensión de salida más baja.

ADI ofrece el LT8418, un controlador de GaN de medio puente de 100 V que integra etapas de controlador superior e inferior, control lógico de controlador, protecciones y un interruptor de arranque (Figura 2). Puede configurarse en topologías síncronas de medio puente, reductor o elevador. Los controladores de compuerta dividida ajustan las velocidades de respuesta de encendido y apagado de los FET de GaN para optimizar el rendimiento EMI (interferencia electromagnética).

Figura 2: Esquema del convertidor CC/CC de conmutación LT8418 basado en GAN de ADI. (Fuente: Analog Devices, Inc.)

Las entradas y salidas del controlador de GaN de ADI presentan un estado bajo por defecto para evitar falsos encendidos de los FET de GaN. Con un rápido retardo de propagación de 10 ns, junto con una adaptación de retardo de 1.5 ns entre los canales superior e inferior, el LT8418 es adecuado para convertidores de CC/CC de alta frecuencia, controladores de motor, amplificadores de audio de clase D, fuentes de alimentación de centros de datos y un amplio rango de aplicaciones de alimentación en los mercados de consumo, industrial y de automoción.

Los modelos LTC7890 y LTC7891 (figura 3) son controladores reguladores de conmutación de CC a CC reductores de alto rendimiento, dobles y sencillos, respectivamente, para accionar etapas de potencia de FET de GaN síncronos de canal N a partir de tensiones de entrada de hasta 100 V. Destinados a resolver muchos de los retos a los que se enfrentan los diseñadores que utilizan FET de GaN, estos controladores simplifican el diseño de la aplicación al no requerir diodos de protección ni otros componentes externos adicionales que suelen utilizarse en las soluciones MOSFET de silicio.

Figura 3: Controlador reductor LTC7891 de ADI. (Fuente: Analog Devices, Inc.)

Cada controlador ofrece a los diseñadores la posibilidad de ajustar con precisión la tensión del controlador de compuerta de 4 V a 5.5 V para optimizar el rendimiento y permitir el uso de diferentes FET de GaN y MOSFET de nivel lógico. Los interruptores de arranque inteligentes internos evitan la sobrecarga de la clavija BOOSTx a la alimentación del controlador de lado alto de la clavija SWx durante los tiempos muertos, protegiendo la puerta del FET de GaN superior.

Ambos componentes optimizan internamente la temporización del controlador de compuerta en ambos flancos de conmutación para conseguir tiempos muertos próximos a cero, mejorar la eficiencia y permitir un funcionamiento a alta frecuencia. Los diseñadores también pueden ajustar los tiempos muertos con resistencias/resistores externos. Los dispositivos están disponibles con flancos humectables lateralmente en paquetes QFN (quad flat no-lead). Los esquemas ilustran circuitos de aplicación típicos con las configuraciones LTC7890 de 40 terminales, 6 mm x 6 mm (Figura 4) y LTC7891 de 28 terminales, 4 mm x 5 mm (Figura 5).

Figura 4: Esquema de un circuito de aplicación típico con el LTC7890 de ADI. (Fuente: Analog Devices, Inc.)

Figura 5: Esquema de un regulador reductor utilizando el LTC7891 de 28 terminales de ADI. (Fuente: Analog Devices, Inc.)

Los diseñadores también pueden aprovechar una cartera de herramientas de gestión de alimentación de ADI para alcanzar los objetivos de rendimiento de la fuente de alimentación y optimizar las placas. El conjunto de herramientas incluye una calculadora de resistencias/resistores variables, un configurador de potencia de la cadena de señales y un entorno de desarrollo basado en Windows.

Conclusión:

El GaN es un material semiconductor transformador que se utiliza para fabricar componentes con alta densidad de potencia, velocidades de conmutación ultrarrápidas y una eficiencia energética superior. Los diseñadores de productos pueden aprovechar los productos controladores de compuerta FET GaN de ADI para crear sistemas más fiables y eficientes con menos componentes, lo que resulta en sistemas más pequeños con huellas y peso reducidos.