Interruptor GaN bidireccional para conversión de alto voltaje

La eficiencia y la reducción de componentes siguen siendo objetivos clave en la electrónica de potencia utilizada en energías renovables, movilidad eléctrica e infraestructuras energéticas digitales. En este contexto, Renesas Electronics Corporation presentó un interruptor GaN bidireccional de alto voltaje diseñado para permitir topologías de conversión de una sola etapa más simples.

Reducción del número de interruptores en las topologías de conversión
La mayoría de los diseños de convertidores de alta potencia dependen de interruptores unidireccionales de silicio o carburo de silicio (SiC), que solo bloquean la corriente en una dirección cuando están en estado de apagado. Esto suele requerir arquitecturas de conversión multietapa con múltiples circuitos en puente.

Los microinversores solares ilustran esta limitación. Un diseño típico utiliza un puente completo de cuatro interruptores para la conversión DC-DC, seguido de otra etapa para la conversión DC-AC. Incluso en diseños de una sola etapa, los ingenieros suelen compensar conectando interruptores convencionales en configuración back-to-back, lo que incrementa el número de dispositivos y las pérdidas de conmutación.

El diseño GaN bidireccional integra la capacidad de bloqueo inverso en un solo dispositivo, lo que permite la conversión de potencia en una sola etapa con menos interruptores. En una implementación representativa de microinversor solar, dos dispositivos bidireccionales Renesas SuperGaN^® pueden sustituir conjuntos de conmutación más grandes y eliminar los condensadores intermedios del enlace DC.

Comportamiento de conmutación y su impacto en la eficiencia
Los dispositivos de conmutación GaN permiten frecuencias de conmutación más altas gracias a su baja carga almacenada y rápidas transiciones, lo que facilita diseños con mayor densidad de potencia.

Las pruebas en una configuración de microinversor solar de una sola etapa mostraron una eficiencia de conversión superior al 97,5 %, favorecida por la eliminación de configuraciones back-to-back y de interruptores de silicio más lentos.

Esto hace que la tecnología sea adecuada para sistemas como fuentes de alimentación de centros de datos de IA, cargadores a bordo de vehículos eléctricos y convertidores solares distribuidos, donde las pérdidas de conmutación influyen directamente en el diseño térmico y la eficiencia global del sistema.

Arquitectura del dispositivo GaN y compatibilidad del driver de puerta
El TP65B110HRU integra un dispositivo GaN de alto voltaje en modo deplexión junto con dos MOSFET de silicio de bajo voltaje. El diseño presenta una tensión umbral típica de 3 V, una tolerancia de puerta de ±20 V y diodos de cuerpo integrados que permiten la conducción inversa.

A diferencia de los dispositivos GaN bidireccionales en modo de enriquecimiento, este interruptor funciona con drivers de puerta estándar sin necesidad de polarización negativa. Esto reduce la complejidad del circuito de control y permite una conmutación estable tanto en condiciones de hard switching como de soft switching.

Para topologías de conmutación dura como los rectificadores Vienna, el dispositivo admite una capacidad dv/dt superior a 100 V/ns, lo que permite transiciones rápidas con oscilaciones limitadas y retardos de conmutación reducidos.

Parámetros eléctricos y detalles de integración
El dispositivo admite funcionamiento continuo AC/DC de hasta ±650 V y tensiones transitorias de hasta ±800 V, con un valor típico de RDS(on) de 110 mΩ a 25 °C.

Otras especificaciones incluyen inmunidad dv/dt superior a 100 V/ns, una caída de tensión de 1,8 V en el diodo de rueda libre y un encapsulado TOLT con refrigeración superior y pinout estándar de la industria para facilitar el diseño térmico y la compatibilidad con PCB.

Kits de evaluación y diseños de referencia
Un kit de evaluación (RTDACHB0000RS-MS-1) permite realizar pruebas con distintas configuraciones de driver de puerta, detección de cruce por cero en AC e implementación de conmutación a tensión cero (ZVS).

El dispositivo también forma parte de los diseños de referencia de sistema de Renesas, incluidos un microinversor solar de 500 W y plataformas de rectificadores Vienna trifásicos, que combinan controladores, drivers de puerta y circuitos integrados de gestión de potencia compatibles para reducir la complejidad del diseño y los riesgos de integración.

Editado por la periodista industrial Aishwarya Mambet, con asistencia de IA.

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