Tecnología GaN para sistemas de energía de alta tensión de la próxima generación

Nick Flaherty escribe que Power Integrations ha desarrollado una tecnología de nitruro de galio (GaN) que funciona a hasta 2200 V para inversores de motores de alta potencia y sistemas de carga de megavatios.

El diseño del nuevo dispositivo permite un mayor margen a altas tensiones, lo que se traduce en una fiabilidad significativamente mayor y permite frecuencias de conmutación más altas para inversores de menor tamaño.

“Comenzamos en 2017 con el GaN de 1500 V y luego, en 2024, con uno de 1700 V, que era la tensión perfecta para los sistemas automotrices de 800 V. Nuestro componente de 900 V cuenta con certificación AEC completa y ya se utiliza en vehículos hoy en día, con un aumento progresivo en su volumen de producción”, dijo Roland Saint-Pierre, vicepresidente de desarrollo de productos en Power Integrations. “Este GaN de 2200 V nos prepara para aplicaciones que superan los 800 V; al pasar de 1000 V en adelante, se necesita una mayor capacidad de corriente”.

El dispositivo de 2200 V funciona en modo de agotamiento (modo D) y permanece activo junto con un MOSFET de silicio en una configuración de cascode. El cascode está fabricado sobre un sustrato de zafiro, que es un componente esencial para elevar la tensión a 2200 V.

El conmutación en cascode significa que el rango de cumplimiento para la puerta es mucho más amplio y no se necesita una tensión negativa. La tensión umbral del MOSFET es de 3 V, mientras que la tensión máxima en un controlador de puerta estándar puede llegar a 15 o 20 V. “También reducimos las pérdidas en comparación con el GaN en modo E”, dijo.

“Para los cargadores de megavatios utilizados en automóviles que operan a 1500 V, el dispositivo de 2200 V es ideal. También observamos una tendencia hacia el uso de tensiones de 800 V para reducir el peso del vehículo; ya existen autobuses y camiones eléctricos que funcionan a 1200 V. Por lo tanto, con 2200 V se cuenta exactamente con la tensión adecuada”, dijo.

“La corriente de fuga comienza a aumentar por encima de 4000 V, por lo que existe un margen de 2000 V. Hay dos factores que influyen en la tasa de fallos en el tiempo: la temperatura y el voltaje, y este margen nos permite tener una tasa de fallos inferior a 1, lo cual es una magnitud mejor que en otros dispositivos.”

La empresa ha demostrado un funcionamiento continuo a 1760 V con una resistencia en estado activo constante, lo cual, según afirman, es la primera demostración de este tipo por encima de 1500 V. En lugar de un mayor calentamiento a medida que la resistencia en estado activo aumenta con el voltaje de ruptura más alto, esta resistencia constante brinda una mayor fiabilidad ya que los efectos térmicos son estables.

“Estamos desarrollando una gama de productos. Así que esto es un anuncio preliminar, con la presentación del producto en la segunda mitad del próximo año [2027]. La tecnología ya está cerca de alcanzar la calificación final”, dijo Saint-Pierre. La empresa planea tener dispositivos certificados para el sector automotriz disponibles en 2028.

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