Mayor eficiencia para la electrónica de potencia

Mayor eficiencia para la electrónica de potencia

Bajo la dirección del Ferdinand-Braun-Institut, ahora se inició el proyecto de la UE HiPoSwitch. Su objetivo es desarrollar convertidores electrónicos de energía más eficientes en términos de energía, más compactos y con mayor rendimiento para diversas aplicaciones, como en tecnologías de la información y comunicación o en la conversión de energía solar. Los socios del proyecto cubren toda la cadena de valor, desde el desarrollo de componentes hasta la comercialización industrial.

El bajo consumo energético y el alto rendimiento son los requisitos centrales de los sistemas modernos de convertidores de potencia. Deben ahorrar recursos y, al mismo tiempo, procesar cantidades cada vez mayores de datos. Los transistores de potencia son los componentes elementales de los convertidores electrónicos de potencia, que transforman corriente continua y alterna en diferentes voltajes. Se encuentran en casi todos los dispositivos tecnológicos; en el ámbito de las tecnologías de la información y comunicación, juegan un papel central en estaciones base de telefonía móvil. Otros ámbitos de aplicación son las fuentes de alimentación de corriente continua y alterna para ordenadores, redes y memorias, así como convertidores solares, vehículos eléctricos e híbridos.

El proyecto de la UE HiPoSwitch, coordinado por el Ferdinand-Braun-Institut, se centrará en los próximos tres años en transistores basados en nitruro de galio innovadores. Se espera que contribuyan a reducir el volumen y peso de los futuros sistemas de convertidores de potencia, al mismo tiempo que aumentan su capacidad de rendimiento. La eficiencia de los sistemas actuales suele estar limitada por los componentes activos utilizados. Actualmente, se emplean principalmente componentes basados en silicio o carburo de silicio. Sin embargo, la tecnología de silicio ha alcanzado sus límites, o en el caso del carburo de silicio, resulta muy costosa. El nitruro de galio (GaN) promete mejores propiedades de material. Con componentes basados en GaN, los interruptores de potencia pueden operarse a frecuencias mucho más altas sin sufrir pérdidas de conmutación significativas. La razón principal es la resistencia de encendido mucho menor de los transistores de potencia de GaN, que junto con las capacidades de entrada y salida significativamente reducidas, conducen a un comportamiento de conmutación mucho mejor. Con frecuencias de conmutación más altas, también se puede reducir considerablemente el tamaño de componentes pasivos como inductores, transformadores de corriente y condensadores, haciendo que el conjunto sea en general más compacto. Los transistores se fabrican sobre sustratos de silicio económicos y, por lo tanto, son muy interesantes desde el punto de vista económico, ya que combinan propiedades técnicas mucho mejores a largo plazo con costos relativamente bajos.
Se invierten 5,6 millones de euros en el proyecto conjunto con ocho socios europeos; la contribución de la UE es de 3,6 millones de euros. Las competencias de los socios del proyecto abarcan toda la cadena de valor, desde la investigación y el desarrollo (Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH); Academia Eslovaca de Ciencias; Universidad Técnica de Viena; Universidad de Padua) hasta la comercialización industrial (AIXTRON SE, Artesyn Austria GmbH & Co. KG, EpiGaN, Infineon Technologies Austria AG). Al finalizar el proyecto, los transistores de potencia de GaN y los sustratos de GaN sobre silicio de 200 mm estarán disponibles industrialmente y se comercializarán a nivel mundial.

Conexión estrecha: desarrollo de componentes y transferencia industrial
El Ferdinand-Braun-Institut de Berlín y Infineon Technologies Austria desarrollan conjuntamente en el proyecto transistores de potencia de GaN de auto-encendido en arquitectura vertical. La fabricación de los transistores se realiza principalmente sobre obleas de GaN sobre Si de la empresa EpiGaN; para realizar comparaciones, también se prueban estructuras sobre obleas de GaN sobre SiC del FBH en paralelo. Los módulos de proceso del FBH deben transferirse lo más rápidamente posible a un proceso industrial apto para producción en masa en Infineon. También se investigan conceptos exploratorios para nuevos transistores de potencia de GaN de auto-encendido, que podrían funcionar a temperaturas elevadas de hasta 250°C. Principalmente, la Universidad Técnica de Viena y la Academia Eslovaca de Ciencias en Bratislava están sentando las bases para una futura evolución de estas tecnologías en el marco del proyecto. Todas las actividades de desarrollo están acompañadas por estudios continuos de fiabilidad y fallos. En particular, la Universidad de Padua aporta su amplia experiencia en pruebas de fiabilidad de componentes de GaN y en mecanismos de fallo.

Paralelamente al desarrollo de componentes, los socios industriales trabajan en la transferencia de la tecnología a un entorno industrial para la fabricación de grandes volúmenes: la empresa belga EpiGaN se centra en el desarrollo de epitaxia de GaN sobre Si de 200 mm, mientras que la empresa alemana AIXTRON optimiza sus reactores de epitaxia para el rendimiento en grandes cantidades. Infineon Technologies Austria AG evalúa en su línea de proceso los conceptos de transistores desarrollados y las obleas de GaN sobre Si de EpiGaN. Artesyn Austria demostrará la capacidad de rendimiento de la tecnología desarrollada mediante un inversor de alta eficiencia de la clase kilovatios, que se utilizará, por ejemplo, en estaciones base de la última generación para la comunicación móvil.