IGBT y MOSFET de potencia de carburo de silicio

El carburo de silicio es un compuesto que se utiliza a menudo en dispositivos electrónicos de potencia. Posee varios atributos que pueden mejorar su rendimiento con respecto a los dispositivos basados en silicio, como una mayor capacidad de tensión de bloqueo y una menor resistencia específica a la conexión.

La investigación de Littelfuse sobre estos atributos ha dado como resultado una nueva tecnología diseñada para aumentar la eficiencia de los sistemas basados en AGPU. Littelfuse ha llevado a cabo con éxito extensas pruebas utilizando sistemas experimentales desarrollados a través de este proyecto de investigación, que han demostrado su eficacia.

Coste

El carburo de silicio, una aleación compuesta de silicio y carbono, se ha utilizado durante mucho tiempo como material abrasivo en muelas abrasivas desde su primera aparición en las muelas abrasivas de los años veinte, pasando posteriormente a la producción de cerámica para chalecos antibalas y, más recientemente, encontrando uso como sustrato para la fabricación de semiconductores de potencia. Sin embargo, recientemente se ha descubierto que tiene varias propiedades únicas que lo hacen especialmente adecuado para la fabricación de componentes electrónicos, como la producción de semiconductores de potencia.

El SiC, o carburo de silicio, podría revolucionar la electrónica de potencia como alternativa a los dispositivos basados en silicio debido a sus propiedades eléctricas únicas que le permiten ofrecer ventajas significativas sobre los IGBT y MOSFET de silicio.

Al tener una elevada intensidad de campo eléctrico de ruptura, los semiconductores de nitruro permiten crear capas de puerta y de deriva mucho más pequeñas que las posibles con el silicio, lo que se traduce en tensiones de funcionamiento más altas y tiempos de conmutación más cortos; además, las temperaturas de funcionamiento pueden ser mucho más altas que las de los semiconductores convencionales basados en silicio.

Todos estos factores se combinan para producir un semiconductor con un rendimiento superior en muchas aplicaciones, lo que ha dado lugar a su uso generalizado en diseños de electrónica de potencia como cargadores de vehículos eléctricos, inversores solares e inversores de tracción.

El carburo de silicio puede soportar altos niveles de transitorios sin verse afectado, lo que lo convierte en un material excelente para topologías de conmutación duras y blandas, como las topologías LLC y ZVS.

Los módulos de potencia WolfPACK de Wolfspeed son una opción ideal para este tipo de aplicaciones y ofrecen muchas características que los hacen adecuados para cargadores de vehículos eléctricos de alto rendimiento, inversores solares, inversores de tracción y distribución de energía para centros de datos. Para obtener más información sobre esta tecnología y cómo puede ayudarle a conseguir eficiencia y rendimiento en su próximo diseño, descargue nuestro libro blanco:

Rendimiento

El carburo de silicio, comúnmente conocido como SiC, se ha convertido en un material cada vez más utilizado en electrónica de potencia debido a sus propiedades únicas. El SiC posee una excepcional intensidad de campo eléctrico, lo que permite mejorar notablemente el rendimiento de los MOSFET y desarrollar dispositivos capaces de soportar transitorios de potencia que normalmente provocarían fallos en los IGBT tradicionales o los MOSFET de potencia estándar.

El carburo de silicio puede funcionar a temperaturas más elevadas que el silicio, reduciendo así la generación de calor en los circuitos de potencia y aumentando la eficacia y reduciendo las pérdidas térmicas, con lo que se conserva más energía y se ahorran costes en energía desperdiciada. Además, el carburo de silicio ofrece una mayor protección contra los arcos voltaicos y las sobretensiones, lo que resulta beneficioso tanto en el sector de la automoción como en el industrial.

Otra ventaja del SiC son sus bajas pérdidas de conmutación, sobre todo en comparación con los transistores de silicio; los MOSFET de SiC presentan menores pérdidas de potencia de conducción y pueden encenderse y apagarse más rápidamente, lo que mejora el rendimiento general del sistema, especialmente útil en aplicaciones en las que los interruptores de potencia deben encenderse y apagarse con frecuencia.

Los módulos de potencia de carburo de silicio tienen capacidad para gestionar grandes flujos de corriente, lo que los hace perfectos para aplicaciones exigentes. Son capaces de manejar hasta 40 amperios de forma continua o ráfagas cortas de 100 amperios, una cifra significativamente superior a la de los IGBT de silicio tradicionales, que solo admiten un funcionamiento continuo de 10 amperios.

Para evaluar el rendimiento de los SiC-IGBT, se construyeron varios sistemas experimentales. Entre ellos se encontraban el sistema AGPU, la prueba de pulso único (SPT) y los sistemas de inversor trifásico. Los tres demostraron que los SiC-IGBT superaban a sus homólogos Si-IGBT tanto en características de conmutación dura y suave como en rendimiento de eficiencia.

Sin embargo, cuando se utiliza un SiC-IGBT es necesario tener en cuenta sus requisitos de accionamiento para su controlador de puerta. En particular, su inductancia debe ser lo más baja posible para evitar el zumbido y las interferencias electromagnéticas (EMI), y también debe soportar la tensión de puerta requerida durante las operaciones de encendido/apagado.

Seguridad

El carburo de silicio es un material emergente con numerosas ventajas sobre sus homólogos de silicio. Entre otras características, el carburo de silicio disipa mejor el calor, tiene una mayor resistencia a la ruptura crítica (hasta 10 veces mayor) y es más fiable a altas temperaturas. Además, las pérdidas por conmutación y conducción son menores, lo que se traduce en una mayor eficiencia. Estas cualidades hacen que el carburo de silicio sea ideal para aplicaciones de conversión de potencia.

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto de silicio y carbono con unas características eléctricas excepcionales que lo hacen idóneo para aplicaciones de semiconductores de potencia. La seguridad, el respeto al medio ambiente y el excelente rendimiento del SiC lo hacen especialmente adecuado en inversores, cargadores de a bordo, convertidores CC/CC y convertidores CC/CA; además, esta nueva tecnología podría aumentar potencialmente la autonomía de los vehículos eléctricos hasta en un 6 por ciento.

Los MOSFET de potencia de SiC presentan una menor resistencia de conmutación y tiempos de conexión/desconexión más rápidos que sus homólogos IGBT de silicio, lo que les permite ofrecer una alta capacidad de corriente en un encapsulado compacto con un menor número de componentes externos, lo que se traduce en un ahorro de costes y una mayor fiabilidad.

El SiC es un material excelente por su capacidad para soportar transitorios de tensión repentinos, lo que proporciona una seguridad adicional en condiciones de fallo. Esta característica también hace posible el manejo de la corriente de cortocircuito, garantizando mejores medidas de seguridad contra la corriente de cortocircuito.

Los SiC-IGBT son una opción ideal para los módulos de potencia híbridos, ya que su rango de temperatura de funcionamiento supera al de los IGBT estándar, característica especialmente importante en entornos industriales en los que los componentes pueden estar sometidos a entornos agresivos. Además, su mayor oscilación de tensión entre la puerta y el emisor les permite trabajar a niveles de corriente más elevados sin problemas de sobreimpulso o subimpulso.

Aplicaciones

Los semiconductores de potencia de carburo de silicio se han convertido en una opción cada vez más popular para diversas aplicaciones. Su eficiencia energética supera con creces a la de sus homólogos tradicionales de silicio y pueden soportar temperaturas más elevadas sin sufrir daños. Además, su menor pérdida de conmutación permite frecuencias más altas que los transistores de silicio normales, lo que resulta perfecto para topologías de conmutación duras y resonantes. Además, su resistencia a la ruptura crítica mucho mayor que la de los MOSFET estándar los hace aún más robustos frente a cargas de alto voltaje.

Los investigadores utilizaron recientemente SPT para medir las características de conmutación de Si-IGBTs y SiC-IGBTs bajo cargas resistivas y RL. Sus mediciones revelaron que los dispositivos SiC-IGBT presentaban menores pérdidas de conmutación debido a una menor resistencia colector-emisor y tiempos de conmutación más rápidos, lo que se traducía en una mayor eficiencia de conversión.

Aunque los IGBT suelen considerarse ideales para los convertidores industriales de fuente de tensión, no siempre son la solución óptima en todas las aplicaciones. Sus mayores pérdidas por conmutación y otros tipos de semiconductores de potencia pueden provocar un aumento significativo de la temperatura en los sistemas e incrementar la disipación de calor y disminuir la eficiencia; afortunadamente, los nuevos avances en semiconductores permiten a los diseñadores reducir estas pérdidas por conmutación.

Los MOSFET de potencia de carburo de silicio poseen una resistencia a la ruptura crítica muy superior a la de los IGBT, además de funcionar de forma fiable a temperaturas mucho más elevadas, lo que les permite soportar los transitorios que se producen en los sistemas de potencia y, por tanto, mejorar la fiabilidad en general.

Infineon ofrece tecnologías de IGBT y carburo de silicio para aplicaciones que abarcan inversores de tracción e inversores solares, controladores de puerta para IGBT y MOSFET de potencia de carburo de silicio que ofrecen el máximo rendimiento y eficiencia en topologías de conmutación dura, así como mayores frecuencias de conmutación, lo que lleva a sistemas de menor tamaño con menor peso y mayor densidad de potencia.