Cómo los HEMT de GaN pueden ayudarle a aumentar la eficiencia de la fuente de alimentación

Tengo que confesar algo. Durante los muchos años que llevo en la industria electrónica, como diseñador de circuitos y como editor, he descubierto que la mayoría de los ingenieros (incluido yo) no están interesados en los detalles exhaustivos de los materiales semiconductores, los procesos y la tecnología de fabricación. Sin duda, hay quienes viven para la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido del IEEE (IEEE ISSCC) y se preocupan por los detalles de los procesos y la innovación, y su trabajo es importante, impresionante y admirable.

Sin embargo, lo que la mayoría de los ingenieros de diseño quieren saber no es cómo se fabrica un dispositivo, sino qué puede hacer: sus fortalezas, debilidades, compensaciones y otros atributos clave. Afirmar que "Mi proceso es más pequeño, mejor, de menor consumo, más rápido y quizá más barato que el tuyo" no es emocionante de por sí; en cambio, lo que realmente le importa a la mayoría de los posibles usuarios son el resultado, los números y los gráficos de las hojas de datos.

Pese a esta opinión, la realidad es que la tecnología de procesos es importante y fundamental para los avances en el rendimiento y las capacidades de los semiconductores. Eso es muy cierto en el ámbito actual de los dispositivos de potencia, donde la comercialización de procesos nuevos o mejorados está redefiniendo lo que se puede conseguir con los circuitos de conmutación y sus sistemas. Las aplicaciones abarcan desde pequeños cargadores de teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos y sus estaciones de carga. Podría calificar estos avances de "revolucionarios", pero esa palabra está sobreutilizada y ha perdido su verdadero significado.

Dispositivos de banda ancha en el núcleo de las nuevas capacidades

El núcleo de este cambio es la disponibilidad de semiconductores de potencia de banda ancha (WBG) fabricados con materiales y procesos de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN). Los dispositivos WBG ofrecen múltiples ventajas en comparación con los tradicionales de silicio (Si) y, en muchos casos, los están sustituyendo o permiten diseños nuevos que antes no eran factibles (Figura 1).

Figura 1: Los atributos relativos de los dispositivos de alimentación basados en GaN y SiC demuestran que estos componentes WBG más recientes presentan coeficientes de calidad atractivos en comparación con los componentes basados solo en silicio. (Fuente de la imagen: Scholarly Community Encyclopedia)

En concreto, los transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) de GaN son superiores a los dispositivos convencionales de silicio en cuanto a frecuencia de conmutación, potencia de salida, capacidad térmica y eficiencia, todos los cuales son factores cruciales para mejorar el rendimiento de los convertidores de potencia avanzados. Estas ventajas son el resultado de los méritos intrínsecos del GaN: tensión WBG, campo eléctrico de ruptura crítica elevado, conductividad térmica elevada y velocidad de saturación electrónica alta. Los dispositivos de conmutación de potencia basados en GaN pueden ofrecer una pequeña resistencia de "encendido", una capacidad de alta corriente y una alta densidad de potencia.

Los dispositivos de conmutación de potencia basados en GaN disponibles en el mercado ofrecen un voltaje de funcionamiento que va desde 100 voltios hasta casi 1000 voltios, alta frecuencia de conmutación, funcionamiento a alta temperatura y pérdidas de conmutación reducidas. El GaN tiene unos coeficientes de calidad superiores a los del SiC; sin embargo, el material es más difícil de cristalizar y procesar.

El HEMT es una tecnología GaN en la que los elementos se forman solo en la superficie de un sustrato en el que es posible el crecimiento de cristales de GaN. Actualmente, los principales FET de GaN comerciales son HEMT laterales.

En la estructura lateral de los FET de GaN, hay un sustrato de silicio, un búfer de GaN, una barrera de nitruro de galio aluminio (AlGaN), tres terminales de conexión (fuente, puerta y drenaje), una capa pasivada (dieléctrico de protección) y una placa de campo que se extiende desde el terminal de fuente (Figura 2). La heterounión (unión entre dos semiconductores diferentes) de la barrera de AlGaN y el búfer de GaN forma un canal de gas bidimensional de electrones (2DEG).

Figura 2: La estructura de los dispositivos de potencia de GaN muestra múltiples capas y un canal 2DEG a través del cual fluye o se corta la corriente. (Fuente de la imagen: ResearchGate)

Este canal tiene una alta densidad de carga y movilidad. La corriente fluye por el canal 2DEG, a diferencia de un MOSFET basado en Si, en el que el canal por el que fluye la corriente es la región de agotamiento entre la fuente y el drenaje.

Tenga en cuenta que un HEMT de GaN estándar está normalmente "encendido", a diferencia de un MOSFET convencional que está normalmente "apagado". Para que un HEMT de GaN cambie a su estado apagado, que es más fácil de usar y el preferido en la mayoría de los diseños de circuitos por comodidad y seguridad, es necesario agotar la capa 2DEG, lo que, a su vez, hace que cese el flujo de corriente.

Como resultado, los dispositivos de conmutación de GaN presentan dos tipos diferentes: modo de mejora (e-GaN) y modo de agotamiento (d-GaN). Un transistor en modo de agotamiento suele estar encendido y necesita un voltaje negativo en la puerta para apagarse. Un transistor en modo de mejora suele estar apagado y se enciende aplicando un voltaje positivo en la puerta.

SiC en comparación con GaN

La diferencia más significativa entre el GaN y el SiC radica en su movilidad electrónica, que indica la rapidez con la que los electrones pueden moverse a través del material semiconductor. El silicio estándar tiene una movilidad electrónica de 1500 centímetros² por voltio-segundo (cm²/voltios). Sin embargo, el SiC tiene una movilidad electrónica de 650 cm²/voltios y el GaN de 2000 cm²/voltios, lo que significa que los electrones del SiC se mueven más lento que los del GaN y el silicio.

Los electrones del GaN se pueden mover un 30% más rápido que los del silicio. Gracias a esta elevada movilidad electrónica, el GaN es casi tres veces más adecuado para aplicaciones de alta frecuencia.

Además, el GaN tiene una conductividad térmica de 1.3 vatios/centímetro-K (vatios/cm-K), que es peor que la del silicio, de 1.5 vatios/cm-K. Sin embargo, el SiC tiene una conductividad térmica de 5 vatios/cm-K, lo que lo hace casi tres veces más eficiente en la transferencia de cargas térmicas. Esta característica da al SiC una gran ventaja en aplicaciones de alta potencia y temperatura.

El GaN y el SiC cubren diferentes necesidades de potencia en el mercado. Los dispositivos de SiC ofrecen niveles de voltaje de hasta 1,200 voltios con alta capacidad de transporte de corriente. Por ello, son adecuados para aplicaciones como inversores de tracción de automóviles y locomotoras, huertos solares de alta potencia y convertidores de red trifásicos de gran tamaño.

Por el contrario, los dispositivos HEMT de GaN suelen tener una tensión nominal de 650 voltios y pueden permitir convertidores de alta densidad del orden de 10 kilovatios (kW) y superiores. Sus aplicaciones incluyen fuentes de alimentación para consumidores, servidores, telecomunicaciones e industria; controladores de servomotores; convertidores de red; y cargadores integrados y convertidores de CC-CC para vehículos eléctricos.

A pesar de estas diferencias, las tecnologías SiC y GaN se superponen en algunas aplicaciones por debajo de 10 kW.

Los dispositivos de GaN disponibles se destacan por su rendimiento

Si bien el desarrollo de dispositivos basados en GaN llevó muchos años de investigación y desarrollo en laboratorio, así como esfuerzos de producción, los dispositivos de GaN se producen comercialmente desde hace más de una década. Algunos ejemplos son los HEMT de GaN de 650 voltios GNP1070TC-Z y GNP1150TCA-Z de ROHM Semiconductor, ambos optimizados para una amplia gama de aplicaciones de sistemas de alimentación (figura 3). El GNP1070TC-Z es un dispositivo en modo de mejora de 20 amperios (A) y 56 vatios con una resistencia drenador-fuente (R_DS(on)) de 70 miliohmios (mΩ) y una carga de puerta (Q_g) de solo 5.5 nanoculombios (nC) (ambos valores son típicos). En el caso del GNP1150TCA-Z, un dispositivo de 11 A y 62.5 vatios, las cifras correspondientes son 150 mΩ y 2.7 nC, respectivamente.

Figura 3: Se muestra el circuito interno del HEMT de GaN GNP1070TC-Z de 20 A, que es similar al GNP1150TCA-Z de 11 A; ambos son adecuados para una gama de aplicaciones relacionadas con la potencia de 650 voltios. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Estos dos componentes se han desarrollado en colaboración con Ancora Semiconductors, Inc, filial de Delta Electronics, Inc, que desarrolla dispositivos de GaN. Ofrecen un rendimiento líder en el mercado que contribuye a una mayor eficiencia y un menor tamaño en una gama más amplia de fuentes de alimentación.

Están alojados en encapsulados DFN8080K de 8 conductores que miden 8 × 8 × 0.7 milímetros (mm) (Figura 4).

Figura 4: A pesar de sus elevados voltajes y corrientes nominales, los dispositivos GaN GNP1070TC-Z y GNP1150TCA-Z se encuentran encapsulados de tan solo 8 mm de lado. (Fuente de la imagen: Rohm Semiconductor)

Conclusión

Los dispositivos de conmutación de potencia WBG que utilizan HEMT de GaN ofrecen a los diseñadores ventajas considerables de rendimiento en comparación con los dispositivos tradicionales de solo silicio. También tienen ventajas evidentes sobre los dispositivos de SiC en cuanto a frecuencia operativa y disipación térmica. Esta última es una consideración muy importante del mundo real. Mediante el uso de componentes de GaN como el GNP1070TC-Z de 20 A/650 voltios y el GNP1150TCA-Z de 11 A/650 voltios de ROHM Semiconductor, los diseñadores pueden implementar convertidores y fuentes de potencia que de otro modo no serían factibles o tendrían serias limitaciones de funcionamiento.

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