Los materiales de banda prohibida ancha, como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), han prometido durante mucho tiempo disminuir los costos de sistema de los diseños a la vez que brindan transistores más pequeños de tensión de ruptura y resistencia activa que los transistores de silicio.
La banda prohibida de un material está relacionada con la fortaleza de los enlaces químicos entre los átomos de la red. Estos enlaces más fuertes hacen que sea más difícil que un electrón salte de un anillo al siguiente. Como consecuencia, se dan corrientes de dispersión intrínseca más bajas y temperaturas de operación más altas para los semiconductores de mayor banda prohibida. Estas mejoras brindan una mayor eficiencia y confiabilidad de la conversión de potencia y una mayor rentabilidad.
Paridad de precios entre GaN y Si
El consenso de la industria de los semiconductores es que se usará SiC principalmente para los diseños por encima de 900 V y GaN para los diseños por debajo de 900 V. Recientemente, algunas casas de GaN han disminuido el precio de los dispositivos de GaN para que queden al nivel de dispositivos de Si similares. Teniendo esto en cuenta, veamos los diseños de nitruro de galio y dónde se usarán en los casos en que hay una paridad de precios con el silicio. Por ejemplo, las familias más nuevas de transistores de efecto de campo (FET) de eGaN de EPC tienen ahora un precio menor que los MOSFET de silicio con la misma resistencia activa y el mismo valor nominal de la tensión. Es la primera vez en 60 años que un dispositivo que no está hecho de silicio ha tenido un mejor rendimiento y un menor precio que un dispositivo de silicio. Estos FET de eGaN se lanzaron en mayo de 2015 y están comenzando a reemplazar a los MOSFET en áreas tradicionales como convertidores de CC/CC de punto de carga y convertidores de CC/CC aislados para servidores y equipos de telecomunicación.
Ventajas del GaN
Las compañías que producen soluciones de GaN están seleccionando un nicho; algunas trabajan con una tensión de 600 V o superior (GaN Systems y Transphorm), mientras que otras trabajan con una tensión de 250 V o menor (EPC). Por ejemplo, Transphorm, la primera compañía en producir un dispositivo certificado por la Asociación de Fabricantes de Dispositivos Electrónicos (JEDEC), prefiere trabajar con una tensión superior a los 600 V. Se imaginan al GaN en los mercados de centros de datos y energía de telecomunicación, debido a que este brinda una corrección de factor de potencia sin puentes y clasificaciones de eficiencia mayor que la clasificación Titanium+ de Energy Star (eficiencia del 90 % al 94 % en todas las cargas). Transphorm dice que están comenzando a producir los primeros diseños. Los inversores fotovoltaicos de GaN tienen la mitad de tamaño y de peso en comparación con los hechos de silicio. Transphorm dice que están trabajando junto con Yaskawa y Tata en nuevos inversores fotovoltaicos hechos de GaN.
La iluminación LED es otro diseño emergente para usar GaN, según Transphorm, ya que permite una densidad del controlador mucho mayor. Por ejemplo, una compañía de iluminación para estudios presentó un producto en la CineGear Expo que usa GaN para reducir el tamaño del resistor en un 70 % y el peso en un 50 %.
EPC dice que la energía inalámbrica, el rastreo de la envolvente de radiofrecuencia, la detección de luz y de rango (LiDAR), los satélites y varias aplicaciones médicas están usando FET de eGaN debido a su velocidad y su tamaño. En la energía inalámbrica, su ventaja de velocidad, con una frecuencia de transmisión de 6,78 MHz, es demasiado alta para el silicio. Para el rastreo de la envolvente de radiofrecuencia, la ventaja también es la velocidad. Las velocidades de conmutación son demasiado altas para, incluso, los transistores LDMOS. Los sistemas de LiDAR usan el tiempo de vuelo de la luz para medir la distancia hasta un objeto. La velocidad de los FET de eGaN se traduce en precisión y velocidad de las mediciones. A esto se debe que los FET de eGaN sean dominantes en los vehículos automáticos y los automóviles de mapeo basados en LiDAR. Los FET de eGaN son naturalmente tolerantes a la radiación del espacio exterior. Esto ha motivado a muchos fabricantes de satélites a implementar convertidores de CC/CC y sistemas de LiDAR basados en FET de eGaN en productos para el espacio.
Además, muchas aplicaciones eléctricas médicas requieren una operación de alta frecuencia que las soluciones de Si no pueden realizar debido a que han llegado a su límite. Usar GaN les permite a los clientes operar en la frecuencia deseada con una alta confiabilidad, gracias a la menor pérdida de potencia y la disipación de calor de las soluciones de GaN. Covidien publicó un artículo en los registros de la Conferencia de Electrónica de Potencia Aplicada (APEC) y presentó un escalpelo de 1 MHz que usa un diseño de GaN.
Banda prohibida ancha en la industria automotriz
El Dr. Achim Strass, gerente de Ingeniería Aplicada de Infineon, mediante IDTechEx, dice que las principales tendencias de los inversores de tracción de vehículos eléctricos (EV) incluyen semiconductores de banda prohibida ancha, enfriamiento de doble cara y formas conformales para motores en rueda e integración en otras piezas. Reducir los costos y mejorar la solidez es importante. Los inversores se están volviendo más complejos, lo cual compensa la reducción de los costos. Además, el Dr. Strass dice que los inversores de tracción seguirán siendo el tercer artículo de costo más importante en un EV. Este costo aumenta en porcentaje cuando se pasa de un motor a más motores por vehículo. Ya existe una tendencia a usar más de un motor eléctrico por vehículo, lo cual aumenta el crecimiento del mercado de inversores más rápido que el crecimiento de todo el negocio de vehículos eléctricos.
En el informe de IDTechEx, Power Electronics for Electric Vehicles 2015-2025 (Electrónica de potencia para vehículos eléctricos 2015-2025), el Dr. Peter Harrop, presidente de IDTechEx, dice: “Los proveedores inteligentes ya están luchando con lo que incluso la última ola de componentes nuevos puede ofrecer, como capacitores de iones de litio y semiconductores de GaN. Los proveedores de mercado libre de China deberán hacerlo también. De lo contrario, sus clientes los excluirán cada vez más, al igual que lo hicieron con los motores en rueda del autobús puramente electrónico más vendido del mundo, el K9 de BYD de China, que fabrica sus propias piezas clave”.
Adónde ningún Si puede llegar
El futuro de los materiales de banda prohibida ancha, como el GaN, es prometedor, ya que se podrán ofrecer soluciones de diseño que la tecnología de Si no puede brindar. Por ejemplo, el rastreo de la envolvente de radiofrecuencia describe un concepto en que la tensión de suministro eléctrico aplicado al amplificador de potencia se ajusta continuamente para garantizar que el amplificador opere con la eficiencia de potencia máxima necesaria en cada momento de la transmisión. Según Alex Lidow, CEO de EPC, esto existe desde 1929, pero no se pudo implementar con tubos o silicio, ni siquiera con transistores LDMOS de alta velocidad. La frecuencia y la eficiencia de potencia que necesita son demasiado altas. El concepto se usa para agregar más ancho de banda digital de amplificadores de radiofrecuencia para comunicaciones inalámbricas. Ahora, con los FET de eGaN, hay transistores lo suficientemente potentes y rápidos y de tensión suficientemente alto para hacer realidad esta aplicación. También es el caso de la píldora de colonoscopia desarrollada en Israel por Check Cap. Es una máquina sofisticada de radiografías de alta resolución que se metió en una píldora pequeña que se puede tragar. La información de la radiografía se transmite de manera inalámbrica a un receptor, y la píldora tiene un costo suficientemente bajo (gracias, en parte, a los costos de los FET de eGaN) como para no tener que recuperarse luego de completado el trabajo. El resultado es una colonoscopia para las masas altamente precisa y de bajo costo que no genera molestias.