Enphase explica cómo el nitruro de galio está transformando sus microinversores

El especialista estadounidense en electrónica de potencia Enphase ha publicado un libro blanco en el que describe cómo está utilizando dispositivos de conmutación bidireccional (BDS, por sus siglas en inglés) basados en nitruro de galio (GaN) para mejorar sus microinversores y otros productos de electrónica de potencia distribuida.

Enphase comenzó a utilizar tecnología GaN el año pasado con el lanzamiento del sistema IQ9N-3P, un microinversor trifásico para proyectos solares a escala comercial. La empresa afirma que el producto permite una conmutación más rápida, una operación más fría, una mayor fiabilidad y una eficiencia de conversión de hasta el 97,5%.

“Se espera que el GaN nos coloque en una trayectoria completamente nueva en costos, rendimiento y fiabilidad, comenzando con los microinversores IQ9”, dijo a pv magazine Raghu Belur, cofundador y director de producto (CPO) de Enphase. “El BDS de GaN es estructuralmente mucho más eficiente en costos que el enfoque de silicio espalda con espalda y, a medida que la fabricación escale y los precios bajen, esperamos que esa ventaja siga acumulándose en toda la plataforma”.

“El GaN se está desplegando progresivamente en toda nuestra cartera de inversores. La misma tecnología utilizada hoy en los sistemas IQ9 se extenderá a los microinversores IQ10, que son compatibles con baterías de nueva generación y cargadores bidireccionales para vehículos eléctricos, así como a los módulos de potencia para el IQ SST diseñado para centros de datos de IA”, añadió Belur. “La trayectoria a largo plazo es una arquitectura totalmente basada en GaN en toda la gama de productos. Este cambio aporta tanto mayor eficiencia como mayor compacidad: el GaN ya es más eficiente que el silicio y opera a frecuencias de conmutación mucho más altas, lo que reduce el tamaño de los elementos magnéticos y otros componentes pasivos dentro del inversor. Como resultado, la mejora de la eficiencia y los diseños más pequeños y ligeros van de la mano, y se espera que la brecha de rendimiento frente al silicio siga ampliándose”.

Tamaño y eficiencia

El uso de GaN en inversores de electrónica de potencia suele malinterpretarse como algo impulsado únicamente por mejoras de eficiencia. Si bien los dispositivos GaN ofrecen menores pérdidas de conmutación en comparación con los componentes tradicionales basados en silicio, su principal valor en el diseño de inversores radica en permitir un cambio en la arquitectura del sistema más que en mejoras incrementales de eficiencia por sí solas.

Debido a que los transistores GaN pueden conmutar a frecuencias significativamente más altas con menores pérdidas y tiempos de transición más rápidos, permiten una reducción sustancial del tamaño de los componentes pasivos utilizados en los sistemas de conversión de potencia. Por lo tanto, inductores, capacitores y filtros pueden hacerse mucho más pequeños a frecuencias de conmutación más altas, lo que reduce el volumen, el peso y el costo generales del inversor.

Además, los componentes pasivos más pequeños reducen la necesidad de grandes disipadores de calor, sistemas complejos de refrigeración líquida y carcasas protectoras voluminosas. Las estructuras mecánicas también pueden simplificarse debido a la menor masa y a las menores restricciones térmicas.

Conmutador bidireccional

El libro blanco explica que las implementaciones tradicionales de BDS normalmente se construyen conectando dos transistores de potencia unidireccionales en una configuración espalda con espalda, lo que permite el flujo de corriente bidireccional y el bloqueo de tensión mediante dispositivos discretos. En cambio, un BDS de GaN integrado monolíticamente, como el utilizado en los dispositivos de Enphase, logra la misma funcionalidad dentro de una sola estructura de dispositivo.

Los dispositivos BDS GaN HEMT sustituyen los conmutadores compuestos convencionales por una sola estructura integrada capaz de bloquear tensión en ambas polaridades, eliminando la necesidad de dispositivos sobredimensionados conectados en serie que aumentan las pérdidas de conducción en los diseños convencionales. Según la empresa, el BDS de GaN único también ofrece una reducción de alrededor de cuatro veces en el área del chip en comparación con los pares de transistores espalda con espalda, lo que se traduce en menores costos y mayor eficiencia.

Circuitos de gestión del sustrato

La empresa dijo que el principal desafío técnico en el desarrollo de dispositivos BDS GaN HEMT integrados monolíticamente es el diseño de un circuito de gestión del sustrato, necesario para garantizar que el sustrato de silicio esté correctamente polarizado al terminal de fuente adecuado en todo momento. A diferencia de los GaN HEMT convencionales con una sola conexión de fuente, los dispositivos BDS tienen dos fuentes, lo que significa que el sustrato debe seguir dinámicamente el potencial más bajo.

Esto requiere monitoreo continuo de tensión y conmutación rápida para evitar una polarización incorrecta, que de otro modo podría hacer que el sustrato actúe como una compuerta trasera y afecte el comportamiento del dispositivo.

Para garantizar una operación fiable, el circuito de control está integrado en el chip, lo que simplifica el diseño a nivel de sistema y respalda la adopción escalable de la tecnología BDS de GaN en la producción comercial.

“Aunque la estructura BDS GaN HEMT representa una desviación única respecto de los diseños GaN HEMT unidireccionales tradicionales, hereda todos los beneficios de rendimiento y costo de sus predecesores, incluida una mayor eficiencia, un rendimiento de conmutación de alta frecuencia y fiabilidad, junto con las ventajas de costo de la arquitectura BDS”, señala el libro blanco.

Otras ventajas técnicas

El fabricante también señala que los dispositivos GaN HEMT ofrecen un rendimiento superior frente a sobretensiones en comparación con los MOSFET de silicio, que dependen de una protección limitada contra avalancha que es insuficiente para los niveles reales de energía de sobretensiones en la red. Como resultado, los sistemas basados en silicio requieren amplias redes externas de supresión de sobretensiones, mientras que los límites de tensión definidos del GaN permiten un manejo intrínseco más robusto de los eventos transitorios.

El GaN también muestra una fuerte resiliencia frente al burnout por evento único (SEB, por sus siglas en inglés), un mecanismo de falla inducido por radiación que históricamente ha afectado a los dispositivos de silicio y ha impulsado calificaciones de tensión más altas para mejorar la fiabilidad. Su amplia banda prohibida lo hace significativamente más resistente al SEB que tanto el silicio como el carburo de silicio (SiC), lo que respalda una mayor fiabilidad estadística a largo plazo.

Además, ventajas materiales como una mayor banda prohibida, un mayor campo de ruptura y una movilidad electrónica mejorada permiten tamaños de chip significativamente más pequeños, alrededor de tres veces menores que el silicio para un rendimiento comparable. Con la arquitectura BDS, esta ventaja aumenta a aproximadamente diez veces frente a configuraciones de MOSFET de silicio espalda con espalda, al tiempo que también reduce la carga de compuerta y permite frecuencias de conmutación más altas. Esto da como resultado elementos magnéticos más pequeños, mayor eficiencia y diseños de convertidores de potencia más compactos, dijo la empresa.

“La importancia de esta tecnología va más allá de la sustitución de un solo dispositivo. Al combinar dispositivos BDS de GaN con la arquitectura modular, el control integrado y la plataforma de fabricación de alto volumen de Enphase, Enphase está construyendo una base escalable para sistemas de conversión de potencia de mayor potencia, mayor densidad y mayor flexibilidad”, señala el libro blanco. “A medida que la tecnología de dispositivos GaN siga madurando, Enphase espera nuevas mejoras en costos, eficiencia, frecuencia de conmutación y densidad de potencia”.