Utilizando la tecnología de incrustación, los investigadores del Fraunhofer IAF han integrado sus CI de potencia de GaN monolíticamente integrados como un circuito de medio puente que incluye condensadores de puerta y de enlace de CC en material de PCB. Esto proporciona a las aplicaciones de electrónica de potencia un convertidor de tensión extremadamente compacto, eficiente y altamente integrado en la clase de 600 voltios con un diseño de fácil aplicación. Es extremadamente eficiente en cuanto a recursos y puede utilizarse de forma modular.
Imagen de rayos X del circuito de medio puente y esquema de los circuitos integrados de potencia de GaN Los semiconductores de potencia se utilizan desde hace años en convertidores de tensión para satisfacer las crecientes demandas de suministro y utilización de energía y para desarrollar los componentes de sistema necesarios. Sin embargo, no sólo son importantes los materiales semiconductores, sino también la estructura y el diseño de los componentes: cuanto más compacta y eficiente sea la estructura, más eficientes en recursos serán los componentes.
Sin embargo, con los componentes estándar discretos que dominan el mercado de la electrónica de potencia de GaN, el diseño compacto necesario del sistema suele ser difícil. Hasta ahora, los bucles conductores críticos entre los transistores y la fuente de alimentación tenían que construirse individualmente y cablearse como circuitos a partir de componentes discretos.
"Aunque la tecnología GaN-on-Si permite crear circuitos integrados monolíticos ... pero no resuelve el problema del cableado ..."
El Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido IAF de Friburgo es una de las principales instituciones de investigación del mundo en los campos de los semiconductores III/V y el diamante sintético. Ha desarrollado el convertidor de tensión de GaN, fácil de usar y altamente integrado, con el fin de responder mejor a los futuros requisitos de la electrónica de potencia eficiente para la conversión y transmisión de energía, por ejemplo en electromovilidad o suministro de energía a partir de energías renovables. Gracias a la funcionalidad integrada en el chip y a todos los componentes críticos y pasivos en la carcasa, el componente puede utilizarse de forma modular y reduce así el esfuerzo necesario para el desarrollo de los sistemas de electrónica de potencia del futuro.
Los investigadores del Fraunhofer IAF han incrustado sus circuitos integrados de potencia basados en nitruro de galio (GaN power ICs) como medio puente en una pequeña placa de circuito impreso, que al mismo tiempo ya proporciona el cableado crítico, incluyendo la puerta y el condensador de enlace de CC como carcasa. El convertidor de tensión resultante es muy compacto y eficiente. Es adecuado para todas las aplicaciones de 600 voltios y permite una estructura de sistema modular fiable. Los procesos de diseño y producción se simplifican considerablemente.
IAF presentó su electrónica de potencia de GaN más reciente en PCIM, que este año se celebró en formato digital como 'PCIM Europe digital days' del 7 al 8 de julio de 2020. El IC de potencia GaN de Fraunhofer IAF también forma parte de una presentación de Dominik Koch (Universidad de Stuttgart) en la conferencia acompañante de PCIM Europe.
Circuitos integrados monolíticos de potencia de GaN
Fraunhofer IAF cuenta con muchos años de experiencia en la integración monolítica de tecnologías de chip GaN de electrónica de potencia. El año pasado, en el marco del proyecto de investigación GaNIAL, los investigadores de Friburgo ya consiguieron integrar monolíticamente sensores de corriente y temperatura, transistores de potencia de 600 V, diodos intrínsecamente libres y controladores de puerta en un único circuito integrado de potencia de GaN. El material semiconductor nitruro de galio se depositó sobre un sustrato de silicio de bajo coste (GaN-on-Si), lo que hace que la tecnología de chip sea adecuada para un uso rentable en aplicaciones masivas y en la industria.
Gracias a la alta densidad de integración, el IC de potencia de GaN del Fraunhofer IAF no sólo permite una mayor frecuencia de conmutación y, por tanto, una mayor densidad de potencia que otros circuitos comparables, sino también una mayor fiabilidad y compacidad gracias a la tecnología de sensores integrada. Con los IC de potencia de GaN en un circuito de medio puente, los investigadores ya han logrado eficiencias CC-CC superiores al 98,8 % a 350 V y han demostrado una alta frecuencia de conmutación de 40 MHz en funcionamiento continuo a 250 V y funcionamiento resonante.
Alta integración mediante incrustación en PCB
"Aunque la tecnología GaN-on-Si permite circuitos integrados monolíticos para convertidores de medio puente, no resuelve el problema del cableado a condensadores externos. Sin embargo, estas conexiones críticas con el controlador de puerta y la tensión de enlace de CC son esenciales para un comportamiento de conmutación limpio y eficiente. Para acercarnos a nuestro objetivo de un convertidor de tensión optimizado, el siguiente paso era encontrar la tecnología de envasado de alta integración perfecta para nuestros circuitos integrados de potencia de GaN", explica Stefan Mönch, científico del Fraunhofer IAF. Con este fin, procesaron sus circuitos integrados con un grueso galvanizado de cobre en ambas caras, lo que los hizo aptos para su incrustación en una placa de circuito impreso (PCB).
Esta adaptación de la metalización permitió fabricar los chips con la fiable tecnología de incrustación ET Microvia de Würth Elektronik CBT, apta para la producción en serie. Junto con Bosch y la Universidad de Stuttgart, socios del proyecto, los investigadores pudieron diseñar una carcasa de placa de circuito impreso de sólo 12 mm de ancho y 0,4 mm de plano, que integra dos circuitos integrados de potencia monolíticos de GaN como medio puente y proporciona las capacitancias de desacoplamiento críticas para el controlador de puerta y la tensión de enlace de CC en la carcasa. La tecnología de incrustación elimina la necesidad de cables de unión, lo que también minimiza las inductancias parásitas. Por lo tanto, las conexiones críticas entre el CI de GaN y los condensadores ya están optimizadas y no es necesario que el usuario las diseñe minuciosamente. El resultado es una solución fácil de usar que proporciona todos los componentes críticos de un convertidor de conmutación ya optimizados en una sola carcasa.
Fraunhofer IAF desarrolla componentes para circuitos electrónicos en el campo de las soluciones de comunicación y movilidad, sistemas láser para tecnología de sensores espectroscópicos en tiempo real, componentes de hardware innovadores para ordenadores cuánticos y sensores cuánticos para aplicaciones industriales. Con su labor de investigación y desarrollo, el instituto de investigación de Friburgo cubre toda la cadena de valor, desde la investigación de materiales, el diseño y el procesamiento hasta la realización de módulos, sistemas y demostradores.
