¿Qué es un adaptador de corriente alterna con GaN (nitruro de galio)?

Esta es una página que explica los adaptadores de corriente AC y las fuentes de alimentación conmutadas que incorporan circuitos integrados de GaN (nitruro de galio), conocidos como semiconductores de próxima generación. Se utiliza en el adaptador USB-PD desarrollado por Unifive.

¿Qué es un adaptador de corriente de próxima generación con GaN?

¿Qué es GaN?

Recientemente, los adaptadores de corriente USB con PD GaN se están volviendo comunes en las tiendas minoristas. “GaN” hace referencia al nitruro de galio, un material de próxima generación que está provocando un cambio revolucionario en el campo de la electrónica de potencia. Durante décadas, los MOSFETs a base de silicio (transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico) han desempeñado un rol esencial en la conversión de energía y son indispensables en la vida moderna. Sin embargo, las mejoras en los MOSFETs de silicio y la eficiencia energética han estado alcanzando sus límites teóricos, llegando a un punto donde las tecnologías actuales ofrecen poco margen de mejora.

Además, en años recientes, la demanda de mayor densidad y eficiencia energética ha aumentado, y los países desarrollados han comenzado a implementar regulaciones para frenar la contaminación ambiental. En este contexto, el silicio es un material difícil de adaptar a esta tendencia ecológica. En comparación, el nitruro de galio es un material con características que responden a la creciente necesidad de eficiencia, rendimiento y mayor densidad de potencia, y se está expandiendo como una tecnología clave de conmutación de potencia de próxima generación que puede reemplazar al silicio.

Entonces, ¿qué es el nitruro de galio?

El nitruro de galio no existe como elemento en la naturaleza. Generalmente se obtiene como subproducto durante la refinación de aluminio a partir de bauxita o la producción de zinc a partir de esfalerita, lo que reduce significativamente las emisiones de dióxido de carbono durante su extracción y purificación. Anualmente se producen más de 300 toneladas de galio y se estima que hay más de un millón de toneladas en el mundo. Como se obtiene como subproducto, cuesta alrededor de 300 dólares por kilogramo, unas 200 veces menos que el oro, que vale aproximadamente 60,000 dólares por kilogramo.

Además de sus beneficios ambientales, es un semiconductor del tipo III/V con transición directa, adecuado para transistores de alta potencia que funcionan correctamente incluso a altas temperaturas.

Historia del GaN

El punto de fusión del galio puro es de solo 30°C, por lo que se puede derretir en la palma de la mano. Pasaron unos 65 años desde su descubrimiento hasta que se logró sintetizar el nitruro de galio, y no fue hasta la década de 1960 que se pudo desarrollar películas monocristalinas de GaN. El compuesto GaN tiene un punto de fusión de más de 1,600°C, unos 200°C más alto que el del silicio.

En 1972 nació el primer LED basado en GaN dopado con magnesio. Fue un hito, ya que aunque no era lo suficientemente brillante para uso comercial, fue el primer LED capaz de emitir luz azul-violeta.

A partir de la década de 1990, el GaN comenzó a emplearse ampliamente en diodos emisores de luz (LED). El GaN emite luz azul, utilizada en los lectores de discos Blu-ray. También se utiliza en dispositivos de potencia semiconductores, componentes de RF, láseres y fotónica. Se prevé que en el futuro también se use en el campo de la tecnología de sensores.

En 2006, comenzó la producción de transistores GaN en modo de mejora (también conocidos como GaN FET), mediante el método MOCVD (Deposición química de vapor con metales orgánicos), creciendo capas delgadas de GaN sobre una capa de AlN en una oblea estándar de silicio. La capa de AlN actúa como buffer entre el sustrato y el GaN. Este nuevo método permite fabricar transistores de nitruro de galio en las mismas plantas y con procesos similares a los del silicio. Al aprovechar procesos conocidos, se reduce el costo y se facilita la introducción de pequeños transistores de alto rendimiento. En detalle, todos los materiales semiconductores tienen una banda prohibida. Esta representa el rango de energía donde no existen estados electrónicos en un sólido; en otras palabras, determina qué tan conductivo puede ser un material. La banda prohibida del silicio es de 1.12 eV, mientras que la del GaN es de 3.4 eV. Esto significa que el GaN puede soportar mayores voltajes y temperaturas que los MOSFETs de silicio.

Gracias a esta gran banda prohibida, el GaN permite su aplicación en dispositivos optoelectrónicos de alta potencia y alta frecuencia. Como puede operar a temperaturas y voltajes mucho mayores que los transistores de arseniuro de galio (GaAs), el GaN se considera ideal para amplificadores de potencia en dispositivos de microondas y terahercios (Thz), como dispositivos de imagen y detección.

¿Cuáles son las ventajas del GaN?

¿Qué ventajas tiene aplicar un material como el GaN, que permite el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos de alta potencia y frecuencia, en un adaptador de corriente? A continuación explicamos los beneficios de usar GaN en un adaptador de corriente.

El GaN se compara a menudo con el silicio. Hoy en día, los MOSFETs basados en silicio son el estándar y se usan ampliamente como interruptores en fuentes de alimentación para aplicaciones de potencia, desde apenas unas decenas de vatios hasta cientos o miles de vatios, en fuentes AC/DC, DC/DC y control de motores. Las características como empaque, resistencia en estado encendido (RDS), voltaje nominal y velocidad de conmutación han sido objeto de mejoras continuas.

Sin embargo, debido al progreso técnico durante muchos años, los semiconductores de silicio están alcanzando sus límites teóricos y ya casi no es posible mejorarlos. Por otro lado, los dispositivos de potencia base GaN son transistores de alta movilidad electrónica con mayor resistencia a campos eléctricos que el silicio. Esta elevada movilidad electrónica indica que el GaN tiene una mayor resistencia al campo eléctrico en comparación con el silicio. Además, con la misma resistencia activa y voltaje de avalancha, los dispositivos GaN pueden ser más pequeños que los semiconductores de silicio.

Los GaN FETs poseen velocidades de conmutación extremadamente rápidas y excelentes características de recuperación inversa, lo cual es esencial para un funcionamiento de baja pérdida y alta eficiencia. Actualmente, ya existen muchos modelos comerciales dentro del rango de 600/650V.

Las ventajas de usar GaN en adaptadores de corriente pueden resumirse en los siguientes tres puntos:

Efecto en la disipación de calor

Debido a su amplia banda prohibida, el GaN presenta una mayor conductividad térmica en comparación con el silicio. Esta característica permite que los dispositivos basados en GaN funcionen a temperaturas más elevadas, con mejor refrigeración, lo que mantiene el adaptador de corriente a baja temperatura y lo protege de daños por calor.

Miniaturización mediante alta densidad de potencia

Las frecuencias de conmutación y temperaturas de operación del GaN son más altas que las de componentes a base de silicio, lo que permite reducir el tamaño del disipador térmico, eliminar ventiladores para enfriamiento y disminuir los elementos magnéticos. A mayor frecuencia de conmutación en los componentes GaN, es posible reducir el tamaño de inductores y condensadores en los circuitos de alimentación. Esto significa que se puede reducir el número de componentes electrónicos dentro del adaptador de corriente, reduciendo el tamaño del cuerpo del dispositivo.

Reducción de ruido acústico y transmisión de energía inalámbrica

A mayor frecuencia, se genera menos ruido acústico en aplicaciones con motores. Además, la alta frecuencia facilita la transmisión inalámbrica de energía con mayor potencia, aumentando la libertad espacial y posibilitando mayores distancias entre emisor y receptor. Actualmente, esta tecnología se está investigando para la carga de vehículos eléctricos.

Adaptadores de corriente con GaN desarrollados por Unifive

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