Módulo de óxido de galio alcanza un megavatio en electrónica de potencia

Un equipo de investigación compuesto por la Universidad de Hong Kong, Virginia Tech y la Universidad de Nankín ha desarrollado un módulo de potencia basado en óxido de galio (Ga₂O₃) que ha demostrado una capacidad de conmutación de un megavatio. Este hito es significativo para el desarrollo de la electrónica de potencia, un sector que requiere semiconductores capaces de gestionar voltajes y corrientes elevados sin fallos por sobrecalentamiento. La investigación, detallada en Nature Communications y de la que se hace eco Hackster.io, aborda uno de los principales obstáculos del óxido de galio: su limitada conductividad térmica.

El óxido de galio es un material semiconductor de ultra ancho de banda prohibida, lo que le permite soportar campos eléctricos más intensos y operar a temperaturas superiores en comparación con el silicio. Estas propiedades lo hacen idóneo para aplicaciones que requieren descargas cortas y potentes de energía eléctrica, como sistemas de láseres pulsados, equipos de imagenología médica y dispositivos de fusión nuclear. Sin embargo, su deficiente conductividad térmica había confinado hasta ahora los dispositivos de óxido de galio a rangos de potencia de kilovatios en circuitos de conmutación.

Para solventar este desafío, los investigadores rediseñaron el encapsulado de los dispositivos semiconductores. Implementaron una configuración de tipo flip-chip que sitúa la cara activa del dado de óxido de galio directamente sobre un sustrato de cobre, facilitando así una disipación de calor más eficiente. Una capa delgada de titanato de bario (BaTiO₃) de 300 nanómetros de espesor ayuda a gestionar los campos eléctricos en los bordes del semiconductor, previniendo el fallo eléctrico. Esta disposición también elimina la necesidad de un soporte que podría dificultar la disipación térmica. Las pruebas demostraron una reducción de la resistencia térmica de más del 50%, pasando de 1.05 K/W a 0.47 K/W. Los dispositivos individuales soportaron voltajes inversos superiores a 2.000 voltios y operaron a temperaturas de hasta 250 grados Celsius.

Para la demostración a gran escala, se combinaron seis submódulos de diodos de óxido de galio en un único módulo de potencia. El dispositivo resultante conmutó exitosamente 1.000 voltios a 1.000 amperios, logrando una capacidad de conmutación máxima de un megavatio. Operó con pulsos repetitivos a una frecuencia de 1 kHz y registró un tiempo de desconexión de 23 nanosegundos. Esta capacidad de conmutación es más de 100 veces superior a la demostrada previamente por dispositivos semiconductores de ultra ancho de banda prohibida. Asimismo, se midió una densidad de potencia pulsada superior a 1.8 MW/cm², superando a dispositivos comparables de silicio y carburo de silicio bajo las condiciones de prueba.

Si bien la demostración se centró en la operación de potencia pulsada en lugar de la entrega continua de un megavatio, y los investigadores no han establecido la preparación de la tecnología para la producción en masa, estos resultados sugieren un futuro prometedor para el óxido de galio en aplicaciones que exigen ráfagas considerables de energía eléctrica.