Se acabaron las barreras para acceder a los dispositivos de potencia de GaN

El GaN ofrece ventajas a las aplicaciones por varias razones. En primer lugar, el GaN no tiene corriente de recuperación inversa, lo cual permite usar arquitecturas más sencillas (p. ej., totem pole para corrección del factor de potencia (PFC)). En segundo lugar, el GaN puede funcionar con una frecuencia más alta que el silicio, abriendo así la posibilidad de usar componentes pasivos más pequeños. Y dado que la resistencia en conducción del GaN es mucho más elevada que la del silicio, el dispositivo de GaN es mucho más pequeño; de ahí que de nuevo se pueda disminuir el tamaño de los diseños. Por último, el factor de mérito del GaN (Ron x Qg) es 10 veces mejor, dando así como resultado unos niveles mucho mayores de eficiencia.

Por estas razones seguiremos observando una proliferación de dispositivos fabricados con GaN en todo tipo de aplicaciones, entre ellas: consumo, como los cargadores para teléfonos móviles antes citados; industriales, donde el control del motor puede ser más preciso, suave y eficiente; energías renovables, como inversores fotovoltaicos compactos; en comunicaciones con una conversión CC/CC eficiente desde el bus de 48V en el servidor; y en automoción, donde el GaN resulta adecuado para controlar el láser de LIDAR o para reducir el tamaño y el peso del cargador incorporado. En general, el GaN se puede utilizar en cualquier sistema de conversión de potencia para disminuir el tamaño, aumentar el rendimiento, incrementar la eficiencia y reducir el coste.

El mercado actual del GaN es muy próspero. Se han solucionado la mayoría de los aspectos que provocaban preocupación, y los principales factores que aún obstaculizan la adopción generalizada del GaN son el precio y la disponibilidad en grandes cantidades. También existen dudas acerca de las alternativas de suministro.

Para ilustrar todo esto pensemos en el mercado de teléfonos móviles. Cada año se venden más de 1.000 millones de unidades, por lo que los suministradores sueñan con incluir el GaN en el diseño del terminal. Para conseguirlo deben ocurrir cuatro cosas:

• Debe haber una ventaja convincente.
• La especificación del dispositivo, en concreto la característica de fuga de puerta, debe ser adecuada. El silicio tiene una puerta de aislamiento y por tanto proporciona un nivel muy bajo de fugas que debe ser replicado por el GaN.
• El precio debe ser competitivo.
• Los dispositivos deben estar disponibles en grandes cantidades, no solo para suministrar los miles de millones de unidades vendidas cada año, sino que también aumente con rapidez para adaptarse al plazo de seis a nueve meses que suele transcurrir entre la presentación de nuevos modelos.

Para abordar todos estos puntos, Innoscience se ha convertido en la primera compañía en presentar el GaN bidireccional (VGaN™). La unidad de protección frente a sobretensión en un sistema de gestión de batería requiere dos MOSFET de silicio contrapuestos para bloquear la corriente en ambas direcciones; estos pueden ser sustituidos por un HEMT VGaN (Figura 1) y como resultado se obtiene una solución que es un 50% más pequeña y eficiente.

Un avance revolucionario de Innoscience aborda esta cuestión de la especificación. Un dispositivo de silicio normalmente tiene un óxido de bloqueo debajo de la puerta para bloquear la fuga de la puerta. En el GaN, esta capa de óxido no está presente, por lo que se utiliza una arquitectura de dos diodos contrapuestos como muestra la Figura 2. Gracias a la optimización de la epitaxia, el procesamiento y la arquitectura, Innoscience ha reducido la característica de fuga a la décima parte hasta 3µA a 85°C durante la vida útil del dispositivo, una cifra aceptable para los fabricantes de smartphones, por lo que los HEMT VGaN son apropiados como interruptor de carga en el interior de estos terminales móviles.

Esta innovación ilustra la aseveración de Innoscience de que los principales suministradores de GaN deben ser fabricantes de dispositivos integrados (IDM) porque las compañías que carecen de fabricación propia no tienen la capacidad intrínseca de optimizar la epitaxia, el procesamiento y la arquitectura.

Si pasamos al precio y Ia disponibilidad, queda claro por qué el GaN aún no está presente en el mercado de teléfonos móviles pese al deseo de clientes y suministradores. Supongamos una penetración del mercado del 10% en los 1.000 millones de teléfonos vendidos en 2022, que equivale a 100 millones de dispositivos de GaN al año. En números redondos, esto exigiría fabricar unas 3.000 obleas de 8 pulgadas al mes. En la actualidad, la capacidad mundial total de GaN, sin Innoscience, es de unas 9.000 al mes según el analista del mercado Yole Group. Por tanto, esta aplicación por sí sola necesitaría el 33% de la capacidad mundial. Es una situación paradójica: las empresas de GaN no han abastecido el mercado porque no tenían la capacidad necesaria y el mercado no podía utilizar la tecnología porque no había disponibilidad.

Innoscience ha acabado con esta paradoja. Innoscience es el mayor IDM totalmente dedicado al GaN. La empresa puede optimizar su propia tecnología de diseño y fabricación, pero no tiene productos anteriores de silicio que dispersen su inversión y su capacidad. Y dado que Innoscience utiliza obleas de 8 pulgadas, puede proporcionar GaN de forma económica y en cantidades muy elevadas. Las dos fábricas de Innoscience en China ya representan la mayor capacidad mundial de GaN y en 2025 la empresa producirá 70.000 obleas de 8 pulgadas al mes, muy superior a la suma de la producción total de todos los demás fabricantes.

El comentario definitivo sobre la fiabilidad es que grandes empresas como Oppo no incorporarían el GaN a sus teléfonos si no estuvieran seguros de su fiabilidad. Los dispositivos de Innoscience se han sometido a ensayos para comprobar su cumplimiento de las normas JEDEC y las pruebas de vida acelerada indican que las tasas de fallos de los dispositivos de 10ppm para el modo del factor de aceleración de puerta superan los 20 años (Figura 3), mientras que para el modo del factor de aceleración del drenador están por encima de 10.000 años.

La robustez frente a avalanchas de los dispositivos MOS de potencia de silicio es una característica importante que se suele medir por medio de una prueba de conmutación inductiva sin bloqueo (UIS). El dispositivo comprobado conmuta primero para conducir y cargar el inductor de forma lineal. Cuando se alcanza la corriente necesaria en el drenador, el dispositivo comprobado se desconecta, provocando así que el inductor disipe toda su energía almacenada y lleve el dispositivo comprobado a una tensión de ruptura. La capacidad de avalancha del dispositivo comprobado permite disipar la corriente del inductor y por tanto limita un mayor incremento de la tensión en el dispositivo. El dispositivo comprobado permanecerá en ruptura hasta que se disipa toda la energía.

Los resultados de esta prueba UIS se pueden convertir en el tiempo en avalancha y la energía en avalancha que puede soportar el dispositivo de potencia y aparecen en la ficha técnica. Si el dispositivo de potencia no tiene capacidad de avalancha, el dispositivo de potencia debe tener una tensión de ruptura más elevada para permitir la descarga completa de la energía del inductor. Así ocurre con los dispositivos InnoGaN, cuyos niveles de conmutación inductiva se logran gracias a la BVdss. De hecho, en los dispositivos de GaN de baja tensión de Innoscience, la tensión de ruptura representa más del doble que el valor nominal del dispositivo por lo que son capaces de manejar picos de tensión con seguridad y superar con éxito unas pruebas tan importantes.

Hasta ahora hemos examinado los elementos necesarios para convencer a los fabricantes de dispositivos móviles inteligentes que cambien al GaN. Se puede realizar un análisis parecido en otros sectores. Tomemos como ejemplo los centros de datos, un mercado enorme y creciente que consume mucha energía. Por tanto, la eficiencia es de máxima prioridad y cada 0,1% de aumento de la eficiencia que se puede lograr dará como resultado un ahorro de costes significativo. El tamaño es importante ya que unos sistemas de conversión de potencia de menor tamaño dejan espacio libre para unidades informáticas. Además, de nuevo son primordiales una gran capacidad de productos disponibles y un bajo precio.

La Figura 4 muestra las etapas de conversión de potencia en un centro de datos, empezando por CA/CC. Un diseño típico de PFC y LLC en el lado primario usará normalmente dispositivos de 650V. Pero en el lado de baja tensión podemos ver muchos dispositivos de 100V y 30V cuando bajamos a los dispositivos en el punto de carga. A suma de todo esto alcanza fácilmente los 80 transistores de potencia de baja tensión por aplicación, que se deben suministrar en la cantidad requerida y con el precio adecuado.

La utilización de HEMT INN100W032A de GaN de 3,2mΩ y 100V de Innoscience en un diseño LLC de puente completo de 600W no solo da como resultado un convertidor cuyo tamaño equivale al 25% de la solución de silicio equivalente, sino que también es un 0,6% más eficiente. Esto reduce de inmediato y de manera significativa la factura energética.

Como hemos visto, la reducción en el tamaño de la fuente de alimentación que se pueden conseguir al pasar de los MOSFET discretos de silicio a los HEMT de GaN es impresionante. Las reducciones de tamaño pueden ser aún mayores mediante una solución integrada. La Figura 5 muestra un circuito completo de medio puente. El ISG 3201 integra dos HEMT de GaN de medio puente, el controlador y el condensador de arranque en un encapsulado LGA que solo mide 5x6,5x1,1mm. Gracias a él se obtiene una reducción aún mayor del 20%. Los clientes pueden escoger entre la flexibilidad de la solución discreta y esta nueva solución integrada, que es muy compacta y fácil de usar.

Además, debido a que las conexiones entre los elementos del circuito están integradas en el encapsulado, la solución integrada proporciona un rendimiento aún mayor. Si utilizamos el mismo convertidor CC/CC de 600W y 48/12V en la misma aplicación del centro de datos, el ISG 3201 incrementará la densidad de potencia y llegará hasta 1000W con un módulo del mismo tamaño con una elevada eficiencia del 98,26%.

Innoscience también se dirige al segmento de alta tensión con los HEMT InnoGaN de 650V, con una RDS(on) de 30mΩ a 80mΩ, 140mΩ y 190mΩ a 2,2Ω. De nuevo es posible que los diseñadores se sientan preocupados por las avalanchas provocadas por picos de alta tensión. Pero, como hemos señalado antes, dado que los dispositivos de GaN, a diferencia del silicio, evitan los fallos por avalanchas ya que tienen una tensión de ruptura mucho mayor que la tensión nominal especificada. Las fichas técnicas de Innoscience para estos dispositivos de 650V indican que los máximos transitorios de tensión entre drenador y fuente que puede resistir el dispositivo para pulsos no repetitivos durante menos de 200µs es de 800V, muy por encima del valor máximo. Para pulsos repetidos con una duración inferior a 100ns, la tensión transitoria máxima que pueden soportar los dispositivos es de 750V tanto a temperatura ambiente como a 125°C, muy por encima del valor nominal de 650V. Estas pruebas demuestran que los HEMT InnoGaN de 650V de Innoscience ofrecen una gran fiabilidad.

Los clientes están preocupados con motivo por estar ligados a un solo suministrador. Sin embargo, están surgiendo varias fuentes de suministro de dispositivos de GaN. Por ejemplo, el INN100W032A citado antes en la aplicación de centros de datos es compatible, en superficie ocupada y configuración de las patillas, con otros suministradores, y además su rendimiento es muy similar. Las patillas de los dispositivos de 650/700V de Innoscience son compatibles con otros dispositivos de GaN de alta tensión disponibles en el mercado.

Este artículo se ha centrado hasta ahora en los dispositivos con encapsulado DFN (dual-flat no-leads). No obstante, muchas aplicaciones utilizan una placa de circuito impreso de una sola cara incorporan semiconductores de potencia en encapsulados tradicionales. Hasta ahora los suministradores de GaN no han cubierto este requisito, pero ahora Innoscience ha presentado dispositivos en encapsulados TO220/TO252 con una RDS(on) máxima de 140mΩ a 350mΩ (TO220) o desde 190mΩ hasta 800mΩ (TO252). Las pruebas muestran que, a 100kHz, la eficiencia de los dispositivos de GaN en encapsulados DFN y TO2xx es muy similar. Desde luego, a frecuencias más altas, la diferencia será más evidente, pero para muchas aplicaciones el encapsulado TO2xx funcionará a la perfección, si así lo prefiere el cliente.

Todas las barreras que han impedido el acceso del GaN al gran mercado de los semiconductores de potencia han sido suprimidas. Se pueden fabricar dispositivos en grandes cantidades con un coste competitivo y se produce una estandarización entre fabricantes. Los dispositivos de GaN son robustos tanto con bajas como con altas tensiones. Finalmente, la cuestión de la avalancha se ha solucionado. El GaN, sencillamente, conmuta mejor que el silicio.