Que es un adaptador de CA que utiliza GaN (nitruro de galio)

Esta es una pagina que explica los adaptadores de AC y las fuentes de alimentacion conmutadas equipadas con IC de GaN (nitruro de galio), considerados semiconductores de proxima generacion. Se utilizan en los adaptadores USB-PD desarrollados por UNIFIVE.

Adaptador AC con GaN: el semiconductor de nueva generación

¿Qué es GaN?

Recientemente, los adaptadores USB AC con PD basados en GaN se ven cada vez más en tiendas de electrónica. El "GaN" se refiere al nitruro de galio, un material de nueva generación que está generando cambios revolucionarios en el campo de la electrónica de potencia. Durante décadas, los MOSFET basados en silicio (transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico) han desempeñado el papel de convertir energía en electricidad y se han vuelto indispensables en la vida moderna. Sin embargo, las mejoras y el aumento de eficiencia de los MOSFET de silicio convencionales han alcanzado límites teóricos, y la tecnología actual está llegando a un nivel donde apenas queda margen de mejora.

Además, en los últimos años han aumentado las exigencias en cuanto a densidad y eficiencia energética. Con los países desarrollados liderando regulaciones para frenar la contaminación ambiental, el silicio presenta dificultades para adaptarse a esta tendencia orientada a la sostenibilidad. En comparación, el nitruro de galio posee características que responden a la creciente demanda de mayor eficiencia, rendimiento y densidad de potencia en los sistemas eléctricos, por lo que se está expandiendo como una tecnología clave de conmutación de potencia de próxima generación en sustitución del 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 en la producción de zinc a partir de esfalerita, lo que implica emisiones muy bajas de CO2 durante su extracción y refinado. Se producen más de 300 toneladas de galio al año y se estima que las reservas mundiales superan 1 millón de toneladas. Al generarse como subproducto, su costo es relativamente bajo, alrededor de 300 dólares por kg, aproximadamente 1/200 del precio del oro, que ronda los 60,000 dólares por kg.

Además de sus ventajas medioambientales, es un semiconductor binario del grupo III/V de transición directa, adecuado para transistores de alta potencia capaces de operar correctamente a altas temperaturas.

Historia del GaN

El punto de fusión del galio puro es de solo 30°C, por lo que puede derretirse en la palma de la mano a temperatura corporal. Se necesitaron otros 65 años para sintetizar por primera vez el nitruro de galio, y hasta la década de 1960 no fue posible desarrollar películas monocristalinas de GaN. El compuesto GaN tiene un punto de fusión superior a 1,600°C, aproximadamente 200°C más alto que el del silicio.

En 1972 nació el LED basado en GaN dopado con magnesio, un acontecimiento revolucionario. Aunque inicialmente no ofrecía suficiente brillo para uso comercial, fue el primer LED capaz de emitir luz azul-violeta.

Desde la década de 1990, el nitruro de galio se ha utilizado ampliamente en diodos emisores de luz (LED). Emite la luz azul utilizada para leer discos Blu-ray. También se emplea en dispositivos de potencia semiconductores, componentes RF, láseres y fotónica. Se dice que en el futuro también se utilizará en el campo de la tecnología de sensores.

En 2006 comenzó la fabricación de transistores GaN en modo de enriquecimiento (también llamados GaN FET), en los que se creció una película delgada de GaN sobre una capa de AlN en obleas estándar de silicio mediante el método MOCVD. La capa de AlN actúa como buffer entre el sustrato y el GaN. Este nuevo método permitió fabricar transistores de nitruro de galio en las mismas fábricas y con procesos similares a los del silicio. El uso de procesos conocidos posibilita una producción de bajo costo, similar al silicio, reduciendo las barreras para introducir transistores compactos con rendimiento significativamente mejorado. En términos más técnicos, todos los materiales semiconductores poseen lo que se denomina banda prohibida o bandgap, que es el rango de energía en el que no pueden existir estados electrónicos. En términos simples, el bandgap determina cuánta electricidad puede conducir un material sólido. Mientras que el silicio tiene un bandgap de 1.12 eV, el nitruro de galio posee un bandgap de 3.4 eV. Este bandgap más amplio significa que el GaN puede soportar mayores voltajes y temperaturas que los MOSFET de silicio.

Gracias a este amplio bandgap, el nitruro de galio permite aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos de alta potencia y alta frecuencia. Puede operar a temperaturas y voltajes mucho más altos que los transistores de arseniuro de galio (GaAs), lo que lo hace ideal como amplificador de potencia en dispositivos de microondas y terahercios (THz), como los utilizados en imagen y sensado.

Ventajas del GaN

¿Qué beneficios ofrece la adopción de GaN en adaptadores AC? A continuación se explican sus principales ventajas.

El GaN suele compararse con materiales basados en silicio. Los MOSFET basados en silicio, estándar actual, se utilizan ampliamente como interruptores de potencia en aplicaciones que van desde decenas hasta cientos o miles de vatios, incluyendo fuentes AC/DC, DC/DC y dispositivos de control de motores. Sus tecnologías de encapsulado, resistencia en conducción RDS, voltaje nominal y velocidad de conmutación han mejorado continuamente.

Sin embargo, el rendimiento de los semiconductores de silicio se acerca a su límite teórico tras años de avances tecnológicos, dejando poco margen para mejoras adicionales. Por otro lado, los dispositivos de potencia basados en nitruro de galio son transistores de alta movilidad electrónica con mayor campo eléctrico crítico que el silicio. Esta alta movilidad implica mayor intensidad de campo eléctrico en comparación con el silicio y, con igual resistencia en conducción y voltaje de ruptura, los dispositivos GaN pueden ser más compactos que los semiconductores de silicio.

Los GaN FET ofrecen velocidades de conmutación extremadamente rápidas y excelentes características de recuperación inversa, esenciales para lograr bajas pérdidas y alta eficiencia. Actualmente, muchos GaN FET con clasificación de 600/650V están disponibles en el mercado.

Las principales ventajas de utilizar GaN en adaptadores AC son las siguientes:

Reducción de generación de calor

Gracias a su amplio bandgap, el GaN tiene mayor conductividad térmica que el silicio. Esto permite que los dispositivos funcionen a temperaturas más altas y se enfríen de manera más eficiente, manteniendo el adaptador AC a menor temperatura y protegiéndolo contra daños térmicos.

Mayor densidad de potencia y reducción de tamaño

Al permitir frecuencias de conmutación y temperaturas de operación más altas que los componentes de silicio, se pueden reducir los disipadores de calor, eliminar ventiladores de refrigeración y disminuir componentes magnéticos. Cuanto mayor es la frecuencia de conmutación de los componentes GaN, más pequeños pueden ser los inductores y condensadores del circuito de alimentación. Esto reduce la cantidad de componentes internos y permite fabricar adaptadores AC más compactos.

Reducción de ruido acústico y posibilidad de transmisión inalámbrica de energía

A mayor frecuencia, menor es el ruido acústico en aplicaciones con motores. Además, las altas frecuencias permiten transmisión inalámbrica de energía a mayor potencia, aumentando la libertad espacial y ampliando la distancia de aire entre transmisión y recepción. Actualmente, esta tecnología también se investiga para la carga de vehículos eléctricos.

UNIFIVE

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