¿Qué es un adaptador de CA que utiliza GaN (nitruro de galio)?

Esta es una página que explica los adaptadores de CA y las fuentes de alimentación conmutadas que incorporan circuitos integrados de GaN (nitruro de galio), conocidos como semiconductores de próxima generación. Se utilizan en adaptadores USB-PD desarrollados por UNIFIVE.

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

¿Qué es el GaN?

Últimamente es común ver adaptadores de corriente USB con tecnología GaN PD en tiendas, y “GaN” se refiere al nitruro de galio, un material de próxima generación que está revolucionando el campo de la electrónica de potencia. Durante décadas, los MOSFETs basados en silicio han sido indispensables en la vida moderna al encargarse de convertir energía en electricidad. Sin embargo, las mejoras en los MOSFETs de silicio tienen un límite teórico, y con la tecnología disponible hoy en día, se está alcanzando ese límite.

Además, en los últimos años la demanda de mayor densidad y eficiencia energética ha incrementado, mientras países desarrollados imponen regulaciones para frenar la contaminación ambiental. En este contexto, el silicio presenta dificultades para adaptarse a estas nuevas exigencias ambientales. Por el contrario, el nitruro de galio es un material que responde eficazmente a la creciente necesidad de eficiencia, rendimiento y densidad energética, extendiéndose como tecnología clave de conmutación de potencia de próxima generación que sustituirá al silicio.

Entonces, ¿qué es el nitruro de galio?

El nitruro de galio no se encuentra naturalmente como elemento. Se obtiene como subproducto al refinar aluminio de la bauxita o zinc del esfalerita, lo que resulta en una emisión de CO₂ muy baja en su extracción y refinación. Se producen más de 300 toneladas de galio al año y las reservas a nivel mundial se estiman en más de un millón de toneladas. Al ser un subproducto, su precio es relativamente bajo, alrededor de 300 dólares por kg, siendo 1/200 del precio del oro (60,000 dólares por kg).

Además de sus beneficios ambientales, es un semiconductor binario del grupo III/V con una transición directa, ideal para transistores de alta potencia que funcionan adecuadamente a temperaturas elevadas.

Historia del GaN

El punto de fusión del galio puro es de solo 30°C, lo que significa que puede derretirse en la palma de la mano a temperatura corporal. Pasaron aproximadamente 65 años hasta que se sintetizó el nitruro de galio por primera vez, y fue hasta la década de 1960 que se logró el crecimiento de películas monocristalinas del material. El compuesto GaN tiene un punto de fusión de más de 1,600°C, 200°C más alto que el del silicio.

En 1972 nació el LED a base de GaN dopado con magnesio, lo cual fue revolucionario, ya que, aunque inicialmente no era lo suficientemente brillante para aplicaciones comerciales, 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 luz azul que se emplea en lectores de discos Blu-ray. También se utiliza en dispositivos semiconductores de potencia, componentes de RF, láseres, fotónica y se espera que en el futuro tenga uso en tecnologías de sensores.

En 2006 comenzó la fabricación de transistores GaN en modo de mejora (también llamados GaN FET), en los cuales se crecen películas delgadas de GaN sobre una capa de AIN en obleas de silicio estándar mediante el método de epitaxia de vapor de metales orgánicos (MOCVD). La capa de AIN actúa como un búfer entre el substrato y el GaN. Este nuevo método permite que los transistores de nitruro de galio se fabriquen con procesos casi idénticos en las mismas fábricas que el silicio. Al usar procesos conocidos, es posible lograr una fabricación económica similar a la del silicio, reduciendo las barreras para la introducción de transistores compactos con mejor rendimiento. Para explicarlo en detalle, todos los materiales semiconductores tienen una característica llamada banda prohibida, que representa el rango de energía en el que no existen estados electrónicos en un sólido. En términos simples, la banda prohibida determina qué tan bien un material sólido puede conducir electricidad. Mientras que la banda prohibida del silicio es de 1.12 eV, la del GaN es de 3.4 eV. Esta amplitud significa que puede soportar voltajes y temperaturas más altos que los MOSFETs de silicio.

Gracias a esta gran banda prohibida, el GaN permite aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos de alta potencia y alta frecuencia. Como puede funcionar a temperaturas y voltajes mucho más elevados que los transistores de arseniuro de galio (GaAs), se considera ideal para amplificadores de potencia en dispositivos de microondas y terahercios (ThZ), tales como los usados en imagenología y sensores.

Ventajas del GaN

¿Cuáles son las ventajas de usar GaN, un material que permite aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos de alta potencia y frecuencia, en adaptadores de corriente? A continuación, se explican sus beneficios al ser incorporado en adaptadores AC.

Generalmente, el GaN se compara con materiales basados en silicio. Actualmente, losMOSFETs basados en silicio son el estándar y ampliamente utilizados en fuentes de alimentación AC/DC, DC/DC y dispositivos de control de motores que van desde varios watts hasta varios miles, con mejoras continuas en encapsulado, resistencia RDS, voltaje nominal y velocidades de conmutación.

No obstante, las capacidades de los semiconductores de silicio han alcanzado prácticamente su límite teórico tras años de avances tecnológicos, haciendo poco probable una mejora significativa. Por otro lado, los dispositivos de potencia basados en GaN son transistores de alta movilidad electrónica con mayor campo eléctrico crítico que el silicio. Esta elevada movilidad electrónica indica que el GaN soporta una intensidad de campo mayor que el silicio, y con igual resistencia interna y voltaje de ruptura, los dispositivos GaN son más pequeños que los semiconductores de silicio.

Los GaN FET poseen velocidades de conmutación extremadamente rápidas y excelentes características de recuperación inversa, lo cual es esencial para un rendimiento de baja pérdida y alta eficiencia. En la actualidad, están disponibles en el mercado muchas variantes de GaN FET con voltaje operativo de 600/650V.

En los adaptadores AC, las principales ventajas del GaN se agrupan en tres aspectos:

Reducción del calor

El GaN posee una banda prohibida amplia, lo que se traduce en una alta conductividad térmica comparada con el silicio. Esta propiedad permite que los dispositivos funcionen a mayor temperatura con una mejor disipación, manteniendo los adaptadores a menor temperatura y protegiéndolos de daños térmicos.

Miniaturización gracias a la alta densidad de potencia

Al operar a mayor frecuencia de conmutación y temperatura que los componentes de silicio, pueden reducirse los disipadores de calor, eliminar ventiladores de enfriamiento e incluso disminuir el tamaño de componentes magnéticos. Cuanto mayor sea la frecuencia de conmutación de los componentes GaN, más pequeños pueden ser los inductores y condensadores del circuito de alimentación. Como resultado, se reduce el número de componentes electrónicos dentro del adaptador, permitiendo el uso de carcasas más pequeñas.

Reducción del ruido acústico y viabilidad de transmisión de energía inalámbrica

Con frecuencias más altas, los ruidos acústicos se reducen en aplicaciones que usan motores. Asimismo, estas frecuencias permiten la transmisión inalámbrica de energía con mayor potencia, aumentando la libertad espacial y el tamaño del espacio entre el transmisor y el receptor. Actualmente se está investigando esta tecnología para carga en vehículos eléctricos.

Adaptador de corriente con GaN desarrollado por Unifive

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