Plataforma de desarrollo para electrónica de potencia GaN

Rutronik ha ampliado su cartera de electrónica de potencia con una nueva plataforma de evaluación diseñada para respaldar el desarrollo de sistemas de accionamiento de motores y conversión de potencia basados en nitruro de galio (GaN). La plataforma combina tecnología avanzada de microcontroladores, semiconductores GaN, componentes de sensado y funciones de protección en un único entorno de desarrollo destinado a aplicaciones donde la eficiencia, la densidad de potencia y la integración del sistema son factores críticos.

Semiconductores GaN en la electrónica de potencia moderna
Los transistores de alta movilidad electrónica de nitruro de galio (GaN HEMT) están siendo adoptados cada vez más en la electrónica de potencia debido a sus propiedades materiales, que permiten frecuencias de conmutación más elevadas que los MOSFET de silicio convencionales.

La tecnología se beneficia de una alta movilidad electrónica, una baja carga de compuerta y capacitancias parásitas reducidas. Estas características disminuyen las pérdidas por conmutación y la generación de calor, al tiempo que permiten utilizar inductores, condensadores y sistemas de refrigeración más pequeños. Como resultado, los ingenieros pueden diseñar convertidores de potencia más compactos, con una mayor densidad de potencia y una mejor eficiencia energética.

Aunque los dispositivos GaN suelen tener un coste unitario superior al de las alternativas basadas en silicio, las ventajas económicas a nivel de sistema suelen favorecer su adopción. La reducción de los requisitos de refrigeración, el menor uso de componentes pasivos y las arquitecturas de sistema simplificadas pueden compensar el mayor coste de los semiconductores y contribuir a reducir el coste total del sistema.

Arquitectura de control digital para conmutación de alta frecuencia
La plataforma de evaluación se basa en la familia de microcontroladores PSOC Control con arquitectura Arm Cortex-M33. El controlador está optimizado para aplicaciones de conversión digital de potencia y control de motores que requieren tiempos de respuesta rápidos y un comportamiento de control determinista.

Entre sus especificaciones más destacadas se encuentran la modulación por ancho de pulso (PWM) de alta resolución con una precisión inferior a 100 picosegundos, convertidores analógico-digitales capaces de operar hasta 12 millones de muestras por segundo y comparadores de alta velocidad integrados con tiempos de respuesta inferiores a 10 nanosegundos.

La plataforma también incorpora aceleradores de hardware como el procesamiento CORDIC y una arquitectura de disparo de baja latencia. Estas características permiten ejecutar algoritmos de control avanzados que deben funcionar de forma fiable a las elevadas frecuencias de conmutación asociadas a los sistemas de potencia basados en GaN.

Compatibilidad con accionamientos de motores y conversión DC-DC
El kit de desarrollo admite múltiples topologías de conversión de potencia. Entre ellas se incluyen sistemas de accionamiento de motores trifásicos BLDC y PMSM de 48 V, así como aplicaciones de convertidores reductores DC-DC.

La combinación de control digital de alta velocidad y transistores GaN HEMT integrados permite evaluar arquitecturas de conmutación de alta frecuencia que pueden mejorar la eficiencia de conversión al tiempo que reducen el tamaño de los componentes magnéticos.

Estas capacidades son especialmente relevantes para sistemas de automatización industrial, plataformas de movilidad eléctrica, equipos de energías renovables e infraestructuras de alimentación para telecomunicaciones, donde la eficiencia y el diseño compacto son objetivos de ingeniería cada vez más importantes.

Funciones integradas de protección y medición de corriente
La plataforma incorpora diversos mecanismos de protección destinados a simplificar el desarrollo y mejorar la fiabilidad del sistema.

Entre ellos se incluyen protección contra corrientes de irrupción, detección de sobrecorriente basada en hardware y medición de corriente mediante tecnología de sensores de magnetorresistencia de túnel (TMR) de Infineon Technologies.

La medición precisa de corriente y la rápida detección de fallos son requisitos fundamentales en los sistemas de potencia de alta frecuencia, ya que los eventos de conmutación ocurren en intervalos de tiempo extremadamente cortos. Las funciones de protección integradas ayudan a los ingenieros a validar diseños mientras reducen la complejidad del desarrollo.

Desarrollo a nivel de sistema y creación rápida de prototipos
La plataforma adopta un enfoque de desarrollo a nivel de sistema mediante la integración de múltiples tecnologías procedentes de la cartera de componentes de Rutronik. El diseño incluye interfaces de medición, capacidades de expansión y compatibilidad con placas de desarrollo basadas en Arduino.

Esta arquitectura permite a los ingenieros evaluar configuraciones de hardware, validar algoritmos de control y probar diseños específicos para aplicaciones concretas antes de transferirlos a hardware de producción.

Este enfoque refleja una tendencia más amplia en el desarrollo de electrónica de potencia, donde las plataformas de evaluación proporcionan cada vez más entornos de referencia completos en lugar de centrarse únicamente en dispositivos semiconductores individuales.

Aplicaciones en automatización industrial y sistemas energéticos
La plataforma está dirigida a diversos sectores donde la eficiencia energética y el diseño compacto se están convirtiendo en requisitos clave de rendimiento.

Las aplicaciones de automatización industrial incluyen servomotores, sistemas robóticos y vehículos de guiado automático (AGV). Los casos de uso en energías renovables abarcan inversores solares, sistemas de almacenamiento de energía en baterías e infraestructuras de carga para vehículos eléctricos. Otros mercados objetivo incluyen sistemas de movilidad eléctrica de 48 V, fuentes de alimentación para servidores, infraestructuras de telecomunicaciones, equipos para hogares inteligentes y electrodomésticos.

La creciente demanda de sistemas eléctricos energéticamente eficientes en estos sectores ha impulsado el interés por las tecnologías de semiconductores de banda prohibida ancha, capaces de ofrecer un rendimiento superior al de los dispositivos tradicionales basados en silicio.

Contexto adicional
Esta sección presenta especificaciones técnicas y comparativas competitivas que no se incluyeron en el comunicado de prensa original.

Las plataformas de desarrollo basadas en GaN son ofrecidas cada vez con mayor frecuencia por fabricantes de semiconductores y socios del ecosistema como Texas Instruments, STMicroelectronics, Infineon Technologies, Navitas Semiconductor y EPC. Los criterios de referencia más habituales incluyen capacidad de frecuencia de conmutación, densidad de potencia, eficiencia, integración de controladores de compuerta, funcionalidades de sensado y rendimiento del control digital.

La resolución PWM inferior a 100 ps, la capacidad de conversión analógico-digital de 12 MSPS y los tiempos de respuesta de los comparadores inferiores a 10 ns sitúan a esta plataforma dentro de la categoría de alto rendimiento de los sistemas de control digital de potencia. Los entornos de desarrollo comparables suelen combinar dispositivos GaN con controladores digitales, aunque pueden requerir circuitos externos adicionales para protección y sensado.

En aplicaciones de control de motores y conversión de potencia, la tecnología GaN se compara frecuentemente con soluciones basadas en MOSFET de silicio y carburo de silicio (SiC). Mientras que los dispositivos SiC suelen dominar las aplicaciones de alta tensión por encima de varios cientos de voltios, los dispositivos GaN suelen ser preferidos en sistemas de baja y media tensión debido a su capacidad para operar a frecuencias de conmutación más elevadas, lo que permite utilizar componentes pasivos más pequeños y alcanzar mayores densidades de potencia.

A medida que la automatización industrial, las infraestructuras de energías renovables y los sistemas de alimentación para centros de datos demandan niveles cada vez más altos de eficiencia, las plataformas de electrónica de potencia basadas en GaN se están convirtiendo en una herramienta importante para acelerar el desarrollo de arquitecturas de conversión de potencia de próxima generación.

Editado por Aishwarya Mambet, editora de Induportals, con asistencia de IA.

www.rutronik.com