Tecnología GaN y SiC para sistemas de conversión de energía

El nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) son materiales semiconductores de banda ancha que han despertado gran interés en el campo de la electrónica de potencia debido a sus excepcionales características. Estos materiales ofrecen varias ventajas sobre los semiconductores convencionales basados en el silicio, lo que los convierte en fundamentales para mejorar la eficiencia y el rendimiento de los dispositivos electrónicos, especialmente en el ámbito de los convertidores DC/DC y los inversores DC/AC.

Nitruro de galio (GaN):

1. Propiedades: El GaN es un semiconductor de banda ancha con una movilidad de electrones superior y una tensión de ruptura superior a la del silicio, lo que le permite funcionar a temperaturas, tensiones y frecuencias elevadas.
2. Ventajas:
   • Mayor eficiencia: Los semiconductores GaN presentan una resistencia a la conexión y unas pérdidas de conmutación reducidas, lo que se traduce en una eficiencia superior durante la conversión de potencia.
   • Factor de forma compacto: Los dispositivos basados en GaN permiten diseños compactos gracias a su mayor densidad de potencia, lo que los hace idóneos para la miniaturización.
   • Conmutación rápida: los transistores de GaN pueden lograr transiciones de conmutación más rápidas en comparación con los de silicio, disminuyendo así las pérdidas por conmutación.
3. Aplicaciones:
   • Convertidores DC/DC: Los dispositivos GaN se emplean para mejorar la eficiencia de los convertidores de tensión, como los convertidores buck y boost, específicamente en aplicaciones como transporte y centros de datos.
   • Inversores DC/AC: Los inversores basados en GaN resultan útiles en sistemas de energías renovables, como los inversores solares, y en accionamientos de motores, elevando así la eficiencia y el control de la conversión energética.

Carburo de silicio (SiC) :

1. Propiedades: El SiC es otro semiconductor de banda ancha conocido por su estabilidad a altas temperaturas y sus excelentes características eléctricas. Es capaz de soportar tensiones y temperaturas más elevadas que el silicio.
2. Ventajas:
   • Funcionamiento a alta tensión: Los dispositivos de SiC funcionan a niveles de tensión elevados, lo que evita la necesidad de complicadas configuraciones de apilamiento de tensión en los sistemas de alimentación.
   • Pérdidas de conducción reducidas: La menor resistencia a la conexión del SiC se traduce en menores pérdidas por conducción y mayor eficiencia.
   • Resistencia térmica: El SiC puede soportar temperaturas extremas, por lo que es adecuado para su uso en entornos exigentes.
3. Aplicaciones:
   • Convertidores DC/DC: Los componentes de SiC desempeñan un papel fundamental en los convertidores de potencia diseñados para aplicaciones de alta tensión, como transporte eléctrico y sistemas de energías renovables.
   • Inversores DC/AC: Los inversores DC/AC con SiC son de vital importancia para transformar la corriente continua de fuentes como las baterías en corriente alterna para la integración en la red o el accionamiento de motores en aplicaciones ferroviarias, consiguiendo así una mayor eficiencia y densidad de potencia.

Importancia en la mejora de la eficiencia y el rendimiento:

Tanto la tecnología de semiconductores de potencia GaN como SiC mejoran sustancialmente la eficiencia y el rendimiento de los dispositivos electrónicos, especialmente en convertidores DC/DC e inversores DC/AC, a través de los siguientes medios:

1. Reducción de pérdidas: Los dispositivos de GaN y SiC manifiestan pérdidas de conducción y conmutación reducidas, lo que culmina en una mayor eficiencia y disipación del calor.
2. Mayor densidad de potencia: Sus dimensiones compactas y sus características térmicas mejoradas facilitan una mayor densidad de potencia, lo que permite diseñar sistemas electrónicos de potencia más pequeños y ligeros.
3. Rango operativo ampliado: GaN y SiC pueden funcionar en condiciones de temperatura y tensión más elevadas, lo que aumenta la fiabilidad y durabilidad de los dispositivos electrónicos.
4. Dinámica de conmutación mejorada: La rápida capacidad de conmutación de estos materiales permite un control más preciso, mitigando la distorsión y elevando el rendimiento general del sistema.

Ventajas de dispositivos con GaN y SiC

Profundicemos en cómo las ventajas de los semiconductores de nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC) se traducen en un mejor rendimiento de los convertidores DC/DC y los inversores DC/AC, sobre todo en términos de mayor eficiencia y densidad de potencia.

Eficiencia Mejorada:

1. Pérdidas de conmutación reducidas: Los semiconductores GaN y SiC presentan la clara ventaja de una mayor velocidad de conmutación en comparación con el silicio tradicional. Esta capacidad de conmutación rápida reduce significativamente las pérdidas por conmutación en convertidores DC/DC e inversores DC/AC. Como resultado, una parte menor de la potencia de entrada se disipa en forma de calor durante cada ciclo de conmutación, lo que se traduce en una mayor eficiencia global.
2. Menores pérdidas por conducción: Tanto el GaN como el SiC presentan una menor resistencia a la conexión en comparación con el silicio, lo que significa que tienen menos resistencia al flujo de corriente. En los convertidores DC/DC y los inversores DC/AC, esto se traduce en una reducción de las pérdidas por conducción, ya que los dispositivos gestionan corrientes elevadas. Unas menores pérdidas de conducción significan que una mayor proporción de la potencia de entrada llega efectivamente a la carga, lo que contribuye a mejorar la eficiencia.
3. Tolerancia a altas temperaturas: El GaN y el SiC pueden funcionar a temperaturas elevadas sin una degradación significativa de su rendimiento. En los convertidores DC/DC y los inversores DC/AC, donde la generación de calor es un problema, la capacidad de funcionar a temperaturas más elevadas permite un funcionamiento eficaz sin necesidad de una refrigeración excesiva, lo que mejora aún más la eficiencia global.

Mayor densidad de potencia:

1. Tamaño compacto: Los dispositivos GaN y SiC son conocidos por su densidad de potencia superior, lo que significa que pueden manejar niveles de potencia más altos en una huella física más pequeña. En los convertidores DC/DC y los inversores DC/AC, este tamaño compacto permite un uso más eficiente del espacio, lo que resulta especialmente crucial en aplicaciones con un espacio de instalación limitado o en las que es esencial minimizar el peso, como en el sector ferroviario.
2. Manejo de tensiones más altas: El SiC puede manejar niveles de tensión más elevados que el silicio, lo que simplifica el diseño de convertidores DC/DC e inversores DC/AC de alta tensión. Se necesitan menos componentes para alcanzar los niveles de tensión deseados, lo que se traduce en un sistema más compacto y con mayor densidad de potencia.
3. Menores requisitos de refrigeración: La eficiencia y las características térmicas mejoradas de los dispositivos de GaN y SiC reducen la necesidad de sistemas de refrigeración elaborados. En los convertidores DC/DC y los inversores DC/AC, esto no sólo ahorra espacio, sino que permite diseñar sistemas más compactos y ligeros.

Las ventajas de los semiconductores de GaN y SiC, como la reducción de las pérdidas por conmutación y conducción, la tolerancia a altas temperaturas, el tamaño compacto y el manejo de tensiones más elevadas, se traducen directamente en un mayor rendimiento de los sistemas de conversión de potencia.

Estas mejoras se traducen en una mayor eficiencia, lo que significa que una mayor proporción de la potencia de entrada se convierte en potencia de salida útil, y en una mayor densidad de potencia, lo que permite desarrollar sistemas electrónicos más pequeños, potentes y eficientes desde el punto de vista energético. Estas ventajas son especialmente importantes en aplicaciones como los vehículos eléctricos, los sistemas de energías renovables, la automatización industrial y la industria ferroviaria, donde el espacio, el peso y la eficiencia energética son consideraciones críticas.

Retos y evolución futura

Premium PSU incorpora la tecnología de nitruro de galio (GaN) a sus dispositivos gracias a la colaboración con el proyecto ALL2GaN. La tecnología GaN es conocida por su potencial para mejorar significativamente el rendimiento de los dispositivos electrónicos en diversas aplicaciones. El proyecto se centra en evaluar y cuantificar las ventajas de estos nuevos dispositivos de GaN en aplicaciones reales de RF y potencia, sobre todo en aplicaciones ferroviarias.

Algunos aspectos clave del proyecto:

1. Colaboración con ALL2GaN: colaboramos con el proyecto ALL2GaN, cuyo objetivo es llevar a cabo una investigación industrial sobre tecnologías GaN asequibles y respetuosas con el medio ambiente. Esta colaboración sugiere un compromiso con el avance de la tecnología GaN para una amplia gama de aplicaciones.
2. Investigación y Desarrollo (I+D): Nuestro departamento de I+D+i participa activamente en la actualización de los equipos existentes para incorporar la tecnología GaN. Este trabajo de I+D es crucial para integrar el GaN en sus dispositivos de forma eficaz.
3. Campos de aplicación: El plan de trabajo de ALL2GaN se centra en tres campos de aplicación principales:
   • Radiofrecuencia y comunicación: La tecnología GaN puede mejorar significativamente la eficiencia y el rendimiento de los sistemas de radiofrecuencia y comunicación, como en el desarrollo de amplificadores de alta frecuencia y alta potencia.
   • Movilidad eléctrica: El GaN puede utilizarse para mejorar la eficiencia y el rendimiento de las soluciones de movilidad eléctrica, incluidos los ferrocarriles y los vehículos eléctricos. Esto puede contribuir a la reducción de las emisiones de carbono y a un sistema de transporte más sostenible.
   • Energía: La tecnología GaN puede beneficiar a varias aplicaciones relacionadas con la energía, como la fotovoltaica (FV), las microrredes de DC y la iluminación. Estas aplicaciones pueden ayudar a afrontar los retos climáticos y energéticos.
4. Objetivos: Nuestros objetivos incluyen evaluar y demostrar las mayores eficiencias, mayores frecuencias de conmutación y mayores densidades de potencia de las aplicaciones GaN sin comprometer la fiabilidad. La consecución de estos objetivos puede conducir a sistemas electrónicos más eficientes y respetuosos con el medio amb
5. Prototipos: Tenemos previsto desarrollar prototipos en el Plan de Trabajo 6 (WP6) para mostrar el potencial de los dispositivos GaN en la mejora del rendimiento del sistema. Esto podría tener un impacto significativo en la consecución de los objetivos generales del proyecto y contribuir al «objetivo 7».
6. Impacto medioambiental y social: Este proyecto quiere ser consciente del impacto más amplio de la tecnología GaN a la hora de abordar los retos climáticos y sociales. La tecnología GaN, al aumentar la eficiencia y reducir el consumo de energía, puede tener un impacto medioambiental positivo. Además, la mejora de la movilidad eléctrica y las aplicaciones energéticas se alinea con los objetivos de sostenibilidad.