Los chips de GaN (nitruro de galio), con sus ventajas clave de baja pérdida y alta densidad de potencia, han superado las limitaciones de los dispositivos tradicionales basados en silicio, convirtiéndose en la dirección clave del desarrollo para controladores de motores de media y baja tensión. Las principales ventajas de los chips de GaN incluyen: Baja pérdida de conmutación: Característica de recuperación inversa cero, ausencia de corriente de cola, baja pérdida de conmutación del condensador, pérdida de superposición optimizada de tensión-corriente, lo que reduce significativamente la pérdida total del sistema. Adaptabilidad a alta frecuencia: Admite una mayor frecuencia PWM (superando ampliamente el rango de 6-16 kHz de los dispositivos basados en silicio). El aumento de frecuencia resulta en un incremento mínimo de pérdida de potencia, reduciendo eficazmente la ondulación de corriente y par del motor, a la vez que mejora la precisión del control. Alta densidad de potencia: Permite que los componentes pasivos más pequeños (inductores y condensadores) alcancen una mayor corriente de salida en las mismas condiciones, soportando cargas mayores. Entornos exigentes y respuesta rápida: Presenta bajo aumento de temperatura, resistencia térmica superior, rápida respuesta dinámica y adaptabilidad a condiciones de funcionamiento complejas. Comparación de parámetros básicos de controladores de motor basados en GaN y Si (IGBT/MOSFET) relación de contraste Controlador de motor basado en GaN Controlador de motor basado en Si (IGBT/MOSFET) I. Características básicas de los materiales brecha de energía 3,4 eV (banda prohibida amplia, resistente a alta temperatura y alta presión) 1,12 eV (banda prohibida estrecha, límite de tolerancia bajo) conductividad térmica Aproximadamente tres veces la del silicio (alta conductividad térmica) Valor de referencia (aproximadamente 150 W/(m·K), con conductividad débil) velocidad de saturación de electrones 2,8 × 10⁷ cm/s (conmutación de alta frecuencia compatible) Aproximadamente 1 × 10^7 cm/s (rendimiento de alta frecuencia limitado) II. Rendimiento del interruptor Frecuencia máxima de conmutación Admite nivel de MHz (normalmente 100 kHz+; algunos escenarios alcanzan MHz) Nominal de 20 kHz, pero normalmente funciona entre 6 y 16 kHz (la operación de alta frecuencia provoca una pérdida de potencia significativa) Carga de recuperación inversa Cero (sin pérdida de recuperación inversa, admite conmutación di/dt/dv/dt alta) IGBT requiere diodos en paralelo, que aún incurren en pérdida de recuperación inversa; el diodo del cuerpo del MOSFET tiene un Qrr alto. Tiempo muerto Mínimo 14 ns (reduce los armónicos de torsión y la vibración) 100-500 ns (puede causar discontinuidad de corriente, lo que lleva a un armónico de torsión de sexto orden) III. Características de pérdida Reducción de pérdida de conmutación (en comparación con el silicio) Régimen discreto reducido 39% (11,6 W frente a 19 W), régimen combinado reducido 24,5% (12,3 W frente a 16,3 W) Valor base (alta frecuencia causa alta relación de pérdida, limitando la eficiencia) incremento de pérdida de mejora de frecuencia El aumento de potencia es de solo 0,7 W cuando la frecuencia aumenta de 20 kHz a 40 kHz, con el incremento de pérdida reducido en 83%. La potencia de salida aumenta en 4,1 W cuando la potencia de salida aumenta de 20 kWz a 40 kWz (con pérdida que aumenta significativamente a medida que aumenta la frecuencia). Resistencia de encendido (RDS(on)) Basado en gas de electrones bidimensional (2DEG), es mucho menor que los dispositivos de silicio con las mismas especificaciones. La resistencia de encendido (RDS) del MOSFET aumenta con la corriente y la temperatura, mientras que el IGBT mantiene un voltaje de saturación constante pero exhibe pérdida de corriente de cola. IV. Propiedades térmicas resistencia térmica del dispositivo (Rth (is)) Tan bajo como 0,5 K/W (flip-chip/CCP, camino térmico corto) 1,5-2 K/W (paquete tradicional con baja eficiencia de disipación de calor) Diferencias en la temperatura de la unión con el mismo consumo de energía Baja temperatura corporal (20-40 ℃) (conducción de calor rápida, acumulación de calor mínima) La temperatura es demasiado alta y puede activar la protección contra sobrecalentamiento Demanda de disipadores de calor No se requiere disipador de calor para dispositivos por debajo de 200 W; la solución de paquete sellado de 1 kW elimina la necesidad de un disipador de calor cuando la corriente es inferior a 18 A. Los sistemas de potencia media y baja aún requieren disipadores de calor, mientras que los módulos de refrigeración de aire/líquido frío a gran escala y alta potencia V. Características de diseño del sistema Volumen de componentes pasivos Reemplazar el condensador electrolítico de 330 μF por un condensador cerámico de 22 μF reduce el tamaño del inductor (lo que reduce los requisitos capacitivos-inductivos a altas frecuencias). Confíe en inductores y condensadores electrolíticos de gran volumen (que requieren simulación de rizado de corriente a baja frecuencia) Densidad de potencia (corriente de salida) La solución discreta ofrece una relación de valor de corriente efectiva (Si) 3,5 A más alta al tiempo que admite una mayor capacidad de carga con un aumento de temperatura idéntico. Valor de referencia (aumento de corriente limitado por la pérdida de potencia y la disipación de calor) interferencia electromagnética Alta integración (p. ej., medio puente sellado), que permite la integración interna del motor para reducir la longitud del cable y minimizar la EMI. Diseño discreto, cable largo, fuerte radiación EMI a alta frecuencia VI. CONFIABILIDAD tolerancia a la temperatura La tolerancia a la temperatura es muy superior a la de los dispositivos basados en Si (operación estabilizadora bajo carga alta) Tolerancia a baja temperatura, vida útil acortada a alta temperatura vida útil del dispositivo (modelo Arrhenius) La vida se duplica por cada caída de 10 ℃ en la temperatura de la unión (una temperatura de unión más baja prolonga la vida útil) Alta temperatura corporal y vida útil relativamente corta Tiempo medio entre fallos (MTBF) Más alto (baja pérdida + bajo estrés térmico, lo que reduce el riesgo de fallo) Más bajo (mayor estrés térmico y probabilidad de fallo debido al desgaste) Fabricantes y soluciones típicos de GaN TI DRV7308 Precontrolador FET de GaN integrado con modulación trifásica y capacidad de control orientado al campo. Paquete QFN de 12 mm × 12 mm, con una eficiencia superior al 99% en aplicaciones de accionamiento de motor de 250 W, lo que elimina la necesidad de un disipador de calor. Solución de bajo voltaje Innosense (entrada de 48 V-60 V, compatible con motores de 1 kW). Esquema discreto (INNDMD48V25A1): 6 INN100EA035A + 3 INS2003FQ; la pérdida total es de 11,6 W (esquema de Si: 19 W) a 40 kHz/20 A, y el aumento de temperatura es de solo 10 ℃ cuando la frecuencia se incrementa a 40 kHz. Esquema de encapsulado (INNDMD48V22A1): 3 encapsulados de GaN de medio puente ISG3204LA; la pérdida total es de 12,3 W (esquema de Si: 16,3 W) a 40 kHz/20 A; no se necesita radiador por debajo de 18 A. Empresas como Texas Instruments (TI), Infineon, Innosense, EPC y Nanoware están desarrollando activamente aplicaciones de nitruro de galio (GaN) en robots humanoides, en particular para sistemas de accionamiento de motores.
