El nitruro de galio y el carburo de silicio luchan por el dominio de la tecnología verde

Independientemente de cuál gane, reducirán los gases de efecto invernadero en miles de millones de toneladas.

Las obleas semiconductoras de nitruro de galio reflejan bien al autor Umesh Mishra.

¿Pueden los semiconductores avanzados reducir las emisiones de gases de efecto invernadero lo suficiente como para marcar una diferencia en la lucha para detener el cambio climático? La respuesta es un sí rotundo. Tal cambio está realmente en marcha.

Comenzando alrededor de 2001, el nitruro de galio semiconductor compuesto fomentó una revolución en la iluminación que ha sido, según algunas medidas, el cambio tecnológico más rápido en la historia humana. En solo dos décadas, la participación del mercado mundial de iluminación en manos de diodos emisores de luz a base de nitruro de galio ha pasado de cero a más del 50 por ciento, según un estudio de la Agencia Internacional de Energía. La firma de investigación Mordor Intelligence predijo recientemente que, en todo el mundo, la iluminación LED será responsable de reducir la electricidad utilizada para la iluminación entre un 30 y un 40 por ciento en los próximos siete años. A nivel mundial, la iluminación representa alrededor del 20 por ciento del uso de electricidad y el 6 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono, según el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente.

Cada oblea contiene cientos de transistores de potencia de última generaciónPeter Adams

Esta revolución está lejos de terminar. De hecho, está a punto de saltar a un nivel superior. La misma tecnología de semiconductores que ha transformado la industria de la iluminación, el nitruro de galio (GaN), también forma parte de una revolución en la electrónica de potencia que ahora está cobrando fuerza. Es uno de los dos semiconductores, el otro es el carburo de silicio (SiC), que han comenzado a desplazar a la electrónica basada en silicio en categorías enormes y vitales de electrónica de potencia.

Los dispositivos de GaN y SiC funcionan mejor y son más eficientes que los componentes de silicio que reemplazan. Hay innumerables miles de millones de estos dispositivos en todo el mundo, y muchos de ellos funcionan durante horas todos los días, por lo que el ahorro de energía será sustancial. El auge de la electrónica de potencia de GaN y SiC finalmente tendrá un mayor impacto positivo en el clima del planeta que el reemplazo de la iluminación incandescente y otras heredadas por LED de GaN.

Prácticamente en todos los lugares donde la corriente alterna debe transformarse en corriente continua o viceversa, habrá menos vatios desperdiciados. Esta conversión ocurre en el cargador de pared de su teléfono o computadora portátil, en los cargadores e inversores mucho más grandes que alimentan los vehículos eléctricos y en otros lugares. Y habrá ahorros similares a medida que otros bastiones del silicio también caigan en manos de los nuevos semiconductores. Los amplificadores de estaciones base inalámbricas se encuentran entre las aplicaciones en crecimiento para las cuales estos semiconductores emergentes son claramente superiores. En el esfuerzo por mitigar el cambio climático, la eliminación del desperdicio en el consumo de energía es la fruta madura, y estos semiconductores son la forma en que la cosecharemos.

Este es un nuevo ejemplo de un patrón familiar en la historia de la tecnología: dos innovaciones en competencia que se concretan al mismo tiempo. ¿Cómo se sacudirá todo? ¿En qué aplicaciones dominará el SiC y en cuáles prevalecerá el GaN? Una mirada detenida a las fortalezas relativas de estos dos semiconductores nos da algunas pistas sólidas.

Antes de llegar a los semiconductores en sí, primero consideremos por qué los necesitamos. Para empezar: la conversión de energía está en todas partes. Y va mucho más allá de los pequeños cargadores de pared que sostienen nuestros teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles y muchos otros dispositivos.

La conversión de energía es el proceso que cambia la electricidad de la forma que está disponible a la forma requerida para que un producto realice su función. Siempre se pierde algo de energía en esa conversión, y debido a que algunos de estos productos funcionan continuamente, el ahorro de energía puede ser enorme. Considere: el consumo de electricidad en el estado de California se mantuvo esencialmente estable desde 1980, incluso cuando la producción económica del estado se disparó. Una de las razones más importantes por las que la demanda se mantuvo plana es que la eficiencia de los refrigeradores y acondicionadores de aire aumentó enormemente durante ese período. El factor individual más importante en esta mejora ha sido el uso de unidades de velocidad variable basadas en el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) y otros componentes electrónicos de potencia, que aumentaron considerablemente la eficiencia.

En los mercados de transistores de potencia de alto voltaje, los dispositivos de nitruro de galio dominan en aplicaciones por debajo de los 400 voltios, mientras que el carburo de silicio tiene la ventaja ahora para 800 V y más (los mercados son relativamente pequeños por encima de los 2000 V). El panorama del importante campo de batalla entre 400 y 1000 V cambiará a medida que mejoren los dispositivos de GaN. Por ejemplo, con la introducción de los transistores GaN de 1200 V, que se espera para 2025, se iniciará la batalla en el importante mercado de los inversores para vehículos eléctricos. Chris Philpot

SiC y GaN permitirán reducciones mucho mayores en las emisiones. Las tecnologías basadas en GaN por sí solas podrían conducir a un ahorro de más de mil millones de toneladas de gases de efecto invernadero en 2041 solo en los Estados Unidos y la India, según un análisis de datos disponibles públicamente realizado por Transphorm, una empresa de dispositivos de GaN que cofundé en 2007. los datos provienen de la Agencia Internacional de Energía, Statista y otras fuentes. El mismo análisis indica un ahorro de energía de 1400 teravatios-hora, o del 10 al 15 por ciento del consumo de energía proyectado por los dos países ese año.

Al igual que un transistor ordinario, un transistor de potencia puede actuar como un dispositivo amplificador o como un interruptor. Un ejemplo importante de la función amplificadora son las estaciones base inalámbricas, que amplifican las señales para transmitirlas a los teléfonos inteligentes. En todo el mundo, el semiconductor utilizado para fabricar los transistores en estos amplificadores está cambiando de una tecnología de silicio llamada semiconductor de óxido de metal de difusión lateral (LDMOS) a GaN. La tecnología más nueva tiene muchas ventajas, incluida una mejora de la eficiencia energética del 10 por ciento o más, según las frecuencias. En aplicaciones de conversión de potencia, por otro lado, el transistor actúa como un interruptor en lugar de un amplificador. La técnica estándar se llama modulación de ancho de pulso. En un tipo común de controlador de motor, por ejemplo, se alimentan pulsos de electricidad de corriente continua a las bobinas montadas en el rotor del motor. Estos pulsos crean un campo magnético que interactúa con el del estator del motor, lo que hace que el rotor gire. La velocidad de esta rotación se controla alterando la longitud de los pulsos: un gráfico de estos pulsos es una onda cuadrada, y cuanto más largos estén los pulsos "encendidos" en lugar de "apagados", mayor velocidad de rotación y par proporciona el motor. Los transistores de potencia logran el encendido y apagado.

Este artículo fue producido conjuntamente por IEEE Spectrum y Proceedings of the IEEE con versiones similares publicadas en ambas publicaciones.

Para obtener más información sobre el papel de las electrotecnologías en la limitación del cambio climático, quienes tengan acceso a IEEE Xplore pueden descargar un número especial completo sobre el tema.

La modulación de ancho de pulso también se usa para cambiar las fuentes de alimentación, uno de los ejemplos más comunes de conversión de energía. Las fuentes de alimentación conmutadas son del tipo que se utiliza para alimentar prácticamente todas las computadoras personales, dispositivos móviles y electrodomésticos que funcionan con CC. Básicamente, el voltaje de CA de entrada se convierte en CC, y luego esa CC se "corta" en una onda cuadrada de corriente alterna de alta frecuencia. Este corte se realiza mediante transistores de potencia, que crean la onda cuadrada al encender y apagar la CC. La onda cuadrada se aplica a un transformador que cambia la amplitud de la onda para producir el voltaje de salida deseado. Para obtener una salida de CC constante, el voltaje del transformador se rectifica y filtra.

El punto importante aquí es que las características de los transistores de potencia determinan, casi por completo, qué tan bien los circuitos pueden realizar la modulación de ancho de pulso y, por lo tanto, qué tan eficientemente el controlador regula el voltaje. Un transistor de potencia ideal, cuando está apagado, bloquearía completamente el flujo de corriente incluso cuando el voltaje aplicado es alto. Esta característica se denomina alta intensidad de campo de ruptura eléctrica e indica cuánto voltaje puede soportar el semiconductor. Por otro lado, cuando está encendido, este transistor ideal tendría una resistencia muy baja al flujo de corriente. Esta característica resulta de una movilidad muy alta de las cargas (electrones y huecos) dentro de la red cristalina del semiconductor. Piense en la intensidad del campo de ruptura y la movilidad de la carga como el yin y el yang de un semiconductor de potencia.

Los transistores de GaN son muy inusuales porque la mayor parte de la corriente que fluye a través de ellos se debe a la velocidad de los electrones y no a la carga de los electrones.

GaN y SiC se acercan mucho más a este ideal que los semiconductores de silicio a los que reemplazan. Primero, considere la intensidad del campo de descomposición. Tanto GaN como SiC pertenecen a una clase llamada semiconductores de banda prohibida ancha. La banda prohibida de un semiconductor se define como la energía, en electronvoltios, necesaria para que un electrón en la red del semiconductor salte de la banda de valencia a la banda de conducción. Un electrón en la banda de valencia participa en el enlace de los átomos dentro de la red cristalina, mientras que en la banda de conducción los electrones pueden moverse libremente en la red y conducir la electricidad.

En un semiconductor con una banda prohibida amplia, los enlaces entre los átomos son fuertes y, por lo tanto, el material generalmente puede soportar voltajes relativamente altos antes de que los enlaces se rompan y se diga que el transistor se rompe. La banda prohibida del silicio es de 1,12 electronvoltios, en comparación con los 3,40 eV del GaN. Para el tipo más común de SiC, la brecha de banda es de 3,26 eV. [Consulte la tabla a continuación, "La colección de animales salvajes de banda ancha"]

La velocidad de operación y la capacidad de bloquear alto voltaje son dos de las características más importantes de un transistor de potencia. Estas dos cualidades, a su vez, están determinadas por parámetros físicos clave de los materiales semiconductores utilizados para fabricar el transistor. La velocidad está determinada por la movilidad y la velocidad de las cargas en el semiconductor, mientras que el bloqueo de voltaje se establece por la banda prohibida y el campo de ruptura eléctrica del material. Fuente: The Application of Third Generation Semiconductor in Power Industry, Yuqian Zhang, E3S Web of Conferences, volumen 198 , 2020

Ahora veamos la movilidad, que se da en unidades de centímetros cuadrados por voltio segundo (cm 2/V·s). El producto de la movilidad y el campo eléctrico produce la velocidad del electrón, y cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la corriente transportada por una cantidad dada de carga en movimiento. Para el silicio esta cifra es 1.450; para SiC es alrededor de 950; y para GaN, alrededor de 2.000. El valor inusualmente alto de GaN es la razón por la que puede usarse no solo en aplicaciones de conversión de energía sino también en amplificadores de microondas. Los transistores GaN pueden amplificar señales con frecuencias de hasta 100 gigahercios, muy por encima de los 3 a 4 GHz generalmente considerados como el máximo para LDMOS de silicio. Como referencia, las frecuencias de ondas milimétricas de 5G alcanzan un máximo de 52,6 GHz. Esta banda 5G más alta aún no se usa ampliamente, sin embargo, se están implementando frecuencias de hasta 75 GHz en comunicaciones de plato a plato, y los investigadores ahora están trabajando con frecuencias de hasta 140 GHz para comunicaciones en la habitación. El apetito por el ancho de banda es insaciable.

Estas cifras de rendimiento son importantes, pero no son los únicos criterios por los que se deben comparar GaN y SiC para una aplicación en particular. Otros factores críticos incluyen la facilidad de uso y el costo, tanto para los dispositivos como para los sistemas en los que están integrados. En conjunto, estos factores explican dónde y por qué cada uno de estos semiconductores ha comenzado a desplazar al silicio, y cómo puede sacudirse su competencia futura.

El primer transistor de SiC comercialmente viable que era superior al silicio fue presentado por Cree (ahora Wolfspeed) en 2011. Podía bloquear 1200 voltios y tenía una resistencia respetablemente baja de 80 miliohmios cuando conducía corriente. Hoy en día hay tres tipos diferentes de transistores SiC en el mercado. Hay un MOSFET de trinchera (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal) de Rohm; DMOS (MOS de doble difusión) de Infineon Technologies, ON Semiconductor Corp., STMicroelectronics, Wolfspeed y otros; y un transistor de efecto de campo de unión vertical de Qorvo.

Una de las grandes ventajas de los MOSFET de SiC es su similitud con los tradicionales de silicio, incluso el empaque es idéntico. Un MOSFET de SiC funciona esencialmente de la misma manera que un MOSFET de silicio ordinario. Hay una fuente, una puerta y un desagüe. Cuando el dispositivo está encendido, los electrones fluyen desde una fuente de tipo n fuertemente dopada a través de una región a granel ligeramente dopada antes de ser "drenados" a través de un sustrato conductor. Esta similitud significa que hay poca curva de aprendizaje para los ingenieros que hacen el cambio a SiC.

En comparación con GaN, SiC tiene otras ventajas. Los MOSFET de SiC son dispositivos inherentemente de "apertura en caso de falla", lo que significa que si el circuito de control falla por cualquier motivo, el transistor deja de conducir corriente. Esta es una característica importante, porque esta característica elimina en gran medida la posibilidad de que una falla pueda provocar un cortocircuito y un incendio o explosión. (Sin embargo, el precio que se paga por esta característica es una menor movilidad de electrones, lo que aumenta la resistencia cuando el dispositivo está encendido).

GaN trae sus propias ventajas únicas. El semiconductor se estableció comercialmente por primera vez en 2000 en los mercados de diodos emisores de luz y láseres semiconductores. Fue el primer semiconductor capaz de emitir de forma fiable luz verde, azul, violeta y ultravioleta. Pero mucho antes de este avance comercial en optoelectrónica, otros investigadores y yo ya habíamos demostrado la promesa de GaN para la electrónica de alta potencia. Los LED de GaN se popularizaron rápidamente porque llenaron un vacío de iluminación eficiente. Pero GaN para la electrónica tuvo que demostrar que es superior a las tecnologías existentes: en particular, los transistores de silicio CoolMOS de Infineon para la electrónica de potencia, y los transistores de silicio-LDMOS y arseniuro de galio para la electrónica de radiofrecuencia.

La principal ventaja de GaN es su movilidad electrónica extremadamente alta. La corriente eléctrica, el flujo de carga, es igual a la concentración de las cargas multiplicada por su velocidad. Entonces, puede obtener una corriente alta debido a la alta concentración o la alta velocidad o alguna combinación de los dos. El transistor GaN es inusual porque la mayor parte de la corriente que fluye a través del dispositivo se debe a la velocidad de los electrones y no a la concentración de carga. Lo que esto significa en la práctica es que, en comparación con Si o SiC, debe fluir menos carga al dispositivo para encenderlo o apagarlo. Eso, a su vez, reduce la energía necesaria para cada ciclo de conmutación y contribuye a una alta eficiencia.

Uno de los dos tipos principales de transistores de nitruro de galio se denomina dispositivo de modo mejorado. Utiliza un circuito de control de puerta que funciona a unos 6 voltios para controlar el circuito de conmutación principal, que puede bloquear 600 V o más cuando el circuito de control está apagado. Cuando el dispositivo está encendido (cuando se aplican 6 V a la puerta), los electrones fluyen desde el drenaje hasta la fuente en una región plana llamada gas de electrones bidimensional. En esta región, los electrones son extremadamente móviles, un factor que ayuda a permitir velocidades de conmutación muy altas, y están confinados debajo de una barrera de nitruro de aluminio y galio. Cuando el dispositivo está apagado, la región debajo de la puerta se agota de electrones, rompiendo el circuito debajo de la puerta y deteniendo el flujo de corriente. Chris Philpot

Mientras tanto, la alta movilidad de electrones de GaN permite velocidades de conmutación del orden de 50 voltios por nanosegundo. Esa característica significa que los convertidores de potencia basados ​​en transistores GaN funcionan de manera eficiente a frecuencias de varios cientos de kilohercios, a diferencia de los 100 kilohercios del silicio o SiC.

En conjunto, la alta eficiencia y la alta frecuencia permiten que el convertidor de potencia basado en dispositivos de GaN sea bastante pequeño y liviano: la alta eficiencia significa disipadores de calor más pequeños y la operación a altas frecuencias significa que los inductores y capacitores también pueden ser muy pequeños.

Una desventaja de los semiconductores de GaN es que aún no cuentan con una tecnología aislante confiable. Esto complica el diseño de dispositivos a prueba de fallas; en otras palabras, que fallan al abrirse si falla el circuito de control.

Hay dos opciones para lograr esta característica normalmente apagada. Una es equipar el transistor con un tipo de compuerta que elimina la carga en el canal cuando no se aplica voltaje a la compuerta y que conduce corriente solo cuando se aplica un voltaje positivo a esa compuerta. Estos se denominan dispositivos de modo de mejora. Los ofrecen EPC, GaN Systems, Infineon, Innoscience y Navitas, por ejemplo. [Consulte la ilustración, "Modo mejoradoGaNTransistor"]

La otra opción se llama solución cascode. Utiliza un transistor de efecto de campo de silicio de baja pérdida separado para proporcionar la función a prueba de fallas para el transistor GaN. Esta solución de cascode es utilizada por Power Integrations, Texas Instruments y Transphorm. [Consulte la ilustración, "Transistor de GaN en modo de agotamiento Cascoded"]

Por seguridad, cuando falla el circuito de control de un transistor de potencia, debe pasar al estado abierto, sin flujo de corriente. Este es un desafío para los dispositivos de nitruro de galio porque carecen de un material aislante de compuerta que sea confiable tanto en el estado de bloqueo de alto voltaje como en el estado de transporte de corriente. Una solución, llamada modo de agotamiento en casco, utiliza una señal de bajo voltaje en un transistor de efecto de campo (FET) de silicio para controlar el voltaje mucho mayor en un transistor de alta movilidad de electrones de nitruro de galio [arriba a la derecha]. Si el circuito de control falla, el voltaje en la puerta del FET cae a cero y deja de conducir corriente [arriba a la izquierda]. Como el FET ya no conduce corriente, el transistor de nitruro de galio también deja de conducir porque ya no hay un circuito cerrado entre el drenaje y la fuente del dispositivo combinado. chris philpot

Ninguna comparación de semiconductores está completa sin una consideración de los costos. Una regla general aproximada es: un tamaño de troquel más pequeño significa un costo más bajo. El tamaño del troquel es el área física del circuito integrado que contiene los dispositivos.

Los dispositivos de SiC ahora generalmente tienen troqueles más pequeños que los de GaN. Sin embargo, los costos de fabricación y sustrato de SiC son más altos que los de GaN y, en general, los costos finales del dispositivo para aplicaciones de 5 kilovatios y más no son muy diferentes en la actualidad. Sin embargo, es probable que las tendencias futuras favorezcan a GaN. Baso esta creencia en la relativa simplicidad de los dispositivos de GaN, lo que significará costos de producción lo suficientemente bajos como para superar el tamaño más grande del troquel.

Dicho esto, para que GaN sea viable para muchas aplicaciones de alta potencia que también exigen altos voltajes, debe tener un dispositivo rentable y de alto rendimiento clasificado para 1200 V. Después de todo, ya hay transistores de SiC disponibles en ese voltaje. Actualmente, los transistores de GaN disponibles en el mercado más cercanos están clasificados para 900 V, producidos por Transphorm, que cofundé con Primit Parikh. Últimamente, también hemos demostrado dispositivos de 1200 V, fabricados en sustratos de zafiro, que tienen un rendimiento eléctrico y térmico a la par que los dispositivos de SiC.

Las proyecciones de la firma de investigación Omdia para los MOSFET de SiC de 1200 V indican un precio de 16 centavos por amperio en 2025. En mi estimación, debido al menor costo de los sustratos de GaN, el precio de los transistores GaN de 1200 V de primera generación en 2025 será ser menor que la de sus contrapartes de SiC. Por supuesto, esa es solo mi opinión; Todos sabremos con certeza cómo se desarrollará esto en un par de años.

Con estas ventajas y desventajas relativas en mente, consideremos las aplicaciones individuales, una por una, y arrojemos algo de luz sobre cómo podrían desarrollarse las cosas.

•Inversores y convertidores para vehículos eléctricos : La adopción de SiC por parte de Tesla en 2017 para los inversores integrados o de tracción para su Modelo 3 fue una victoria temprana e importante para el semiconductor. En un vehículo eléctrico, el inversor de tracción convierte la CC de las baterías en CA para el motor. El inversor también controla la velocidad del motor variando la frecuencia de la corriente alterna. Hoy, Mercedes-Benz y Lucid Motors también están usando SiC en sus inversores y otros fabricantes de vehículos eléctricos planean usar SiC en los próximos modelos, según informes de prensa. Los dispositivos SiC están siendo suministrados por Infineon, OnSemi, Rohm, Wolfspeed y otros. Los inversores de tracción EV suelen oscilar entre aproximadamente 35 kW y 100 kW para un EV pequeño y aproximadamente 400 kW para un vehículo grande.

Sin embargo, es demasiado pronto para convocar este concurso para SiC. Como señalé, para incursionar en este mercado, los proveedores de GaN deberán ofrecer un dispositivo de 1200 V. Los sistemas eléctricos de los vehículos eléctricos ahora suelen funcionar con solo 400 voltios, pero el Porsche Taycan tiene un sistema de 800 voltios, al igual que los vehículos eléctricos de Audi, Hyundai y Kia. Se espera que otros fabricantes de automóviles sigan su ejemplo en los próximos años. (El Lucid Air tiene un sistema de 900 V). Espero ver los primeros transistores GaN comerciales de 1200 V en 2025. Estos dispositivos se usarán no solo en vehículos sino también en cargadores de vehículos eléctricos públicos de alta velocidad.

Las velocidades de conmutación más altas posibles con GaN serán una gran ventaja en los inversores EV, porque estos conmutadores emplean lo que se denominan técnicas de conmutación dura. Aquí, la forma de mejorar el rendimiento es cambiar muy rápido de encendido a apagado para minimizar el tiempo en que el dispositivo mantiene alto voltaje y pasa alta corriente.

Además de un inversor, un vehículo eléctrico también suele tener uncargador a bordo , que permite que el vehículo se cargue desde la corriente de la pared (red) al convertir CA en CC. Aquí, nuevamente, GaN es muy atractivo, por las mismas razones que lo convierten en una buena opción para los inversores.

•Aplicaciones de red eléctrica : La conversión de energía de muy alto voltaje para dispositivos de 3 kV y más seguirá siendo el dominio de SiC durante al menos la próxima década. Estas aplicaciones incluyen sistemas para ayudar a estabilizar la red, convertir CA a CC y viceversa a voltajes de nivel de transmisión y otros usos.

•Cargadores de teléfonos, tabletas y portátiles : A partir de 2019, los cargadores de pared basados ​​en GaN estuvieron disponibles comercialmente de compañías como GaN Systems, Innoscience, Navitas, Power Integrations y Transphorm. Las altas velocidades de conmutación de GaN junto con sus costos generalmente más bajos lo han convertido en el titular en los mercados de menor potencia (25 a 500 W), donde estos factores, junto con el tamaño pequeño y una cadena de suministro sólida, son primordiales. Estos primeros convertidores de potencia de GaN tenían frecuencias de conmutación de hasta 300 kHz y eficiencias superiores al 92 por ciento. Establecieron récords de densidad de potencia, con cifras de hasta 30 W por pulgada cúbica (1,83 W/cm3), aproximadamente el doble de la densidad de los cargadores basados ​​en silicio que están reemplazando.

Un sistema automatizado de sondas aplica un alto voltaje para probar transistores de potencia en una oblea. El sistema automatizado, en Transphorm, prueba cada uno de unos 500 dados en minutos. pedro adams

•Microinversores de energía solar : La generación de energía solar ha despegado en los últimos años, tanto en aplicaciones a escala de red como distribuidas (domésticas). Para cada instalación, se necesita un inversor para convertir la CC de los paneles solares en CA para alimentar una casa o liberar la electricidad a la red. Hoy en día, los inversores fotovoltaicos a escala de red son el dominio de los IGBT de silicio y los MOSFET de SiC. Pero GaN comenzará a incursionar en el mercado solar distribuido, en particular.

Tradicionalmente, en estas instalaciones distribuidas había una única caja inversora para todos los paneles solares. Pero cada vez más, los instaladores están favoreciendo los sistemas en los que hay un microinversor separado para cada panel, y la CA se combina antes de alimentar la casa o alimentar la red. Tal configuración significa que el sistema puede monitorear el funcionamiento de cada panel para optimizar el rendimiento de toda la matriz.

Los microinversores o los sistemas inversores tradicionales son fundamentales para el centro de datos moderno. Junto con las baterías crean unfuente de poder ininterrumpible para evitar interrupciones. Además, todos los centros de datos utilizan circuitos de corrección del factor de potencia, que ajustan las formas de onda de corriente alterna de la fuente de alimentación para mejorar la eficiencia y eliminar las características que podrían dañar el equipo. Y para estos, GaN proporciona una solución económica y de baja pérdida que está desplazando lentamente al silicio.

•Estaciones base 5G y 6G : La velocidad superior y la alta densidad de potencia de GaN le permitirán ganar y, en última instancia, dominar las aplicaciones en los regímenes de microondas, en particular, las redes inalámbricas 5G y 6G, y los radares comerciales y militares. La principal competencia aquí son los conjuntos de dispositivos LDMOS de silicio, que son más baratos pero tienen un rendimiento más bajo. De hecho, GaN no tiene un competidor real en frecuencias de 4 GHz y superiores.

Para las redes inalámbricas 5G y 6G, el parámetro crítico es el ancho de banda, porque determina la cantidad de información que el hardware puede transmitir de manera eficiente. Los sistemas 5G de próxima generación tendrán casi 1 GHz de ancho de banda, lo que permitirá videos increíblemente rápidos y otras aplicaciones.

Los sistemas de comunicación por microondas que utilizan tecnologías de silicio sobre aislante brindan una solución 5G+ que utiliza dispositivos de silicio de alta frecuencia en los que la baja potencia de salida de cada dispositivo se supera con grandes conjuntos de ellos. GaN y silicio coexistirán durante un tiempo en este espacio. El ganador en una aplicación específica se determinará mediante una compensación entre la arquitectura, el costo y el rendimiento del sistema.

•Radar : El ejército de EE. UU. está desplegando muchos sistemas de radar terrestres basados ​​en electrónica de GaN. Estos incluyen el radar orientado a tareas terrestres/aéreas y el radar activo de matriz escaneada electrónicamente construido por Northrup-Grumman para el Cuerpo de Marines de EE. UU. El radar SPY6 de Raytheon se entregó a la Marina de los EE. UU. y se probó por primera vez en el mar en diciembre de 2022. El sistema amplía enormemente el alcance y la sensibilidad del radar embarcado.

Hoy en día, el SiC domina en los inversores EV y, en general, donde la capacidad de bloqueo de voltaje y el manejo de energía son primordiales y donde la frecuencia es baja. GaN es la tecnología preferida donde el rendimiento de alta frecuencia es importante, como en estaciones base para 5G y 6G, y para aplicaciones de conversión de energía de alta frecuencia y radar, como adaptadores de enchufe de pared, microinversores y fuentes de alimentación.

Pero el tira y afloja entre GaN y SiC apenas comienza. Independientemente de cómo se desarrolle la competencia, aplicación por aplicación y mercado por mercado, podemos decir con seguridad que el medio ambiente de la Tierra será el ganador. Se evitarán incontables miles de millones de toneladas de gases de efecto invernadero en los próximos años a medida que este nuevo ciclo de reemplazo tecnológico y rejuvenecimiento avance inexorablemente.