El nuevo desarrollo de Onsemi en semiconductores de nitruro de galio vertical (vGaN) representa un avance significativo en la tecnología de conversión de potencia.
Estos semiconductores permiten una mayor eficiencia energética, mayores voltajes de operación y menores pérdidas comparados con los dispositivos tradicionales basados en silicio.
El aumento de la demanda global por conversión de potencia de alta eficiencia se ha visto impulsado por la expansión de los centros de datos para inteligencia artificial (IA) y la electrificación de vehículos.
Aunque los dispositivos de carburo de silicio (SiC) y los primeros dispositivos de nitruro de galio (GaN), principalmente de tipo lateral, han logrado mejoras importantes, aún presentan limitaciones para aplicaciones de ultra elevado voltaje y alta densidad de potencia.
La tecnología vGaN
Tradicionalmente, los dispositivos de GaN comerciales se fabrican sobre sustratos no GaN, como silicio o zafiro, lo que da lugar a una estructura lateral donde la corriente fluye de forma horizontal a través de la superficie del chip.
Este diseño impone restricciones sobre el voltaje máximo que se puede aplicar, limitando el tamaño compacto y el rendimiento térmico del dispositivo.
La nueva tecnología vGaN, construida sobre un sustrato GaN sobre GaN (GaN-on-GaN), revoluciona esta arquitectura al permitir que la corriente fluya de forma vertical a través del dispositivo. Este cambio permite mejoras significativas en el rendimiento de la próxima generación de electrónica de potencia.
Ventajas del vGaN
La tecnología vGaN de Onsemi ofrece ventajas críticas para los diseñadores de sistemas de potencia, entre ellas una mayor capacidad de voltaje y robustez.
La arquitectura vGaN está diseñada para manejar voltajes operativos mucho más altos en un chip monolítico más pequeño. Actualmente, Onsemi está proporcionando versiones de 700 V y 1.200 V.
Esta capacidad de 1.200 V es especialmente relevante para aplicaciones de buses de corriente continua (DC) de alto voltaje en sistemas de carga para vehículos eléctricos (EV) y energías renovables, que superan el punto dulce de voltaje de muchos dispositivos GaN laterales.
El diseño vertical de vGaN también ofrece una estabilidad térmica mejorada y un rendimiento robusto bajo estrés eléctrico extremo. Además, la arquitectura vGaN reduce las pérdidas de energía en el sistema en casi un 50% en comparación con las soluciones de la generación actual.
Esta reducción masiva en la disipación de energía se traduce directamente en menores requisitos de gestión térmica y costos de refrigeración para los sistemas finales.
Miniaturización y alta densidad de potencia
Otra ventaja crítica de la tecnología vGaN es su capacidad para manejar una mayor densidad de potencia y permitir la miniaturización de los sistemas. La capacidad de manejar altos voltajes y conmutar altas corrientes mientras se reducen las pérdidas en una estructura vertical permite un tamaño significativamente más pequeño en comparación con los dispositivos GaN laterales convencionales.
Los dispositivos vGaN son aproximadamente tres veces más pequeños, lo que, junto con las altas frecuencias de conmutación propias del GaN, reduce considerablemente el tamaño de los componentes pasivos como condensadores e inductores. Como resultado, se logra una reducción significativa del tamaño y el peso del sistema.
Esta mejora en la densidad es esencial para empaquetar convertidores de alta potencia en espacios limitados, como compartimentos de motores de vehículos eléctricos o racks de servidores de IA.
Aplicaciones en IA y electrificación
El alto voltaje y el rendimiento a alta frecuencia de la tecnología vGaN de Onsemi están específicamente orientados a abordar los retos de consumo energético planteados por las megatendencias emergentes.
En los centros de datos para IA, por ejemplo, los sistemas de cómputo para IA están migrando rápidamente hacia distribuciones de voltaje más altas, como los 800 V DC, para mitigar las pérdidas por corriente y I²R a lo largo del rack.
La capacidad de 1.200 V de vGaN y su alta eficiencia lo hacen ideal para los convertidores DC-DC de 800 V de próxima generación, que requieren una densidad de potencia extrema para maximizar el rendimiento informático por unidad de rack.
En los vehículos eléctricos, la tecnología vGaN permite el diseño de inversores más pequeños, ligeros y eficientes, lo que contribuye directamente al aumento del alcance de los vehículos. Además, en la infraestructura de carga, vGaN respalda el desarrollo de cargadores más rápidos y robustos con una mejor capacidad de manejo de voltajes y menos pérdidas.
Disponibilidad de los dispositivos vGaN
Onsemi ya ha comenzado a ofrecer muestras de los dispositivos vGaN de 700 V y 1.200 V para los primeros adoptantes.
Estos dispositivos abren nuevas posibilidades para diseñadores que buscan soluciones de electrónica de potencia ultraeficientes y de alta densidad.
Conclusión
Por lo tanto, la tecnología vGaN representa un avance sustancial en el diseño de semiconductores de potencia, superando las limitaciones físicas de las arquitecturas GaN laterales existentes.
Al conducir la corriente verticalmente, los dispositivos alcanzan capacidades de más de 1.200 V, ofrecen una estabilidad térmica superior y reducen las pérdidas de energía y el tamaño del sistema.
Así, dicho desarrollo resulta fundamental para crear sistemas ultraeficientes y de alta densidad de potencia, con aplicaciones clave en centros de datos de IA, vehículos eléctricos, infraestructura de carga, energía renovable y automatización industrial.
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