Carburo de silicio y electrónica de potencia

El carburo de silicio, un compuesto sintético extremadamente duro de silicio y carbono, se utiliza desde hace tiempo como abrasivo industrial, por ejemplo en papel de lija o muelas abrasivas, así como componente resistente al desgaste en cojinetes de bombas u hornos industriales. También puede proporcionar excelentes revestimientos refractarios.

El carburo de silicio supera a su homólogo de silicio en términos de resistencia al calor y durabilidad, ofreciendo una mayor conductividad térmica y propiedades de conducción térmica.

Electrónica de potencia

El carburo de silicio se ha convertido en un material cada vez más popular para aplicaciones de electrónica de potencia. Puede soportar niveles de tensión y temperaturas más elevados que los dispositivos tradicionales de silicio, lo que mejora el rendimiento y la fiabilidad al tiempo que reduce el consumo de energía. Además, sus propiedades lo hacen adecuado para muchas aplicaciones diferentes.

Los fabricantes de vehículos eléctricos (VE) necesitan componentes capaces de soportar altas temperaturas y tensiones, como cargadores de baterías externos, convertidores CC-CC y vehículos eléctricos híbridos. El carburo de silicio ofrece ventajas sobre los semiconductores de silicio en términos de mayor eficiencia, menor pérdida de potencia y mayor fiabilidad, al tiempo que es una alternativa más pequeña y rentable.

Los transistores de SiC también presentan huecos de banda más anchos que sus homólogos de silicio, lo que ayuda a minimizar las pérdidas de calor y aumentar la eficiencia. Esto les permite realizar funciones similares consumiendo menos electricidad, algo que agradecerán los conductores de vehículos eléctricos, ya que puede aumentar la autonomía y reducir los costes de las baterías al acelerar los tiempos de carga.

Automoción

Los chips de carburo de silicio ofrecen numerosas ventajas a la industria de los vehículos eléctricos. Pueden reducir las pérdidas de tensión y corriente y mejorar el rendimiento térmico, lo que ayuda a los fabricantes de automóviles a reducir el tamaño y el peso de los componentes electrónicos de potencia que contribuyen a la distancia de conducción, ayudando a los vehículos eléctricos a llegar más lejos con cada carga. Las empresas automovilísticas han adoptado esta tecnología y ROHM Semiconductors se ha lanzado a ofrecer soluciones de aislamiento diseñadas específicamente para su uso con diseños de carburo de silicio en sistemas de gestión de baterías e inversores de control de tracción diseñados con materiales de carburo de silicio.

Los fabricantes de automóviles reconocen que los semiconductores de banda ancha desempeñarán un papel esencial en los futuros vehículos eléctricos de batería (BEV), por lo que han invertido miles de millones para asegurarse el suministro de chips de SiC para los coches de batería. El proveedor alemán ZF Group y Wolfspeed colaboran actualmente en la creación de una planta de producción específica para chips de SiC; Bosch, el principal fabricante de piezas del mundo, compró TSI Semiconductors de Roseville (California) en 2023 con planes para convertir su planta de producción de circuitos integrados para aplicaciones específicas en obleas de silicio de 200 mm en la producción de MOSFET de SiC para 2026.

Otros fabricantes de chips también están aumentando sus inversiones en tecnologías de carburo de silicio. Rohm Semiconductors es uno de ellos. Rohm ofrece productos que soportan diseños de potencia basados en el carburo de silicio, como MOSFET, transistores de potencia aislados, módulos, sistemas de gestión de baterías e inversores de control de tracción, por citar sólo algunas aplicaciones en las que sus productos ofrecen ventajas sustanciales de coste y rendimiento.

Tránsito ferroviario

Los chips de carburo de silicio en aplicaciones de transporte ferroviario pueden aumentar la eficiencia y la densidad de potencia de los dispositivos de potencia, reduciendo el peso y el volumen y contribuyendo al mismo tiempo a reducir los costes de funcionamiento y mantenimiento. Son especialmente adecuados para aplicaciones con convertidores de tracción que deben soportar altas temperaturas, por lo que los chips de carburo de silicio constituyen una solución ideal en este caso, ya que estos versátiles chips fabricados con mezclas de silicio y carbono son capaces de funcionar hasta a 500 ºC, lo que resulta perfecto para la energía solar o el transporte ferroviario.

Los semiconductores de carburo de silicio presentan una brecha de banda más ancha, lo que les permite funcionar a frecuencias y tensiones más altas que sus homólogos de silicio, proporcionando así más potencia con menos pérdidas y teniendo una tasa de deriva de saturación más baja que los chips de silicio estándar.

A medida que aumenta la demanda de vehículos eléctricos, también lo hace la de componentes de alto rendimiento. Esto incluye aumentar el rendimiento del motor para cumplir con las capacidades de aceleración - a menudo conocido como "Modo Ludicrous". Para ello, pueden ser necesarios condensadores más potentes y un cableado eléctrico más robusto.

Los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) de carburo de silicio (SiC) son cada vez más accesibles y adecuados para los inversores de tracción, ya que reducen las pérdidas por conmutación y conducción, lo que se traduce en una disminución de las pérdidas generales de potencia del sistema y, por tanto, en una reducción sustancial de los costes de explotación de la electricidad.

Aplicaciones industriales

El carburo de silicio se ha revelado como un prometedor material semiconductor en aplicaciones de alta potencia, sobre todo en la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos y los instrumentos de los vehículos de exploración espacial (Mantooth, Zetterling y Rusu). El carburo de silicio ofrece un bandgap más alto que los semiconductores de silicio tradicionales y funciona a temperaturas, voltajes y frecuencias mucho más altas, lo que lo convierte en una alternativa atractiva al silicio. Puede funcionar a temperaturas, tensiones y frecuencias más elevadas que los semiconductores de silicio tradicionales (que tienen menor bandgap). El rendimiento del carburo de silicio también lo convierte en una alternativa atractiva en aplicaciones exigentes como la electrónica de potencia para vehículos eléctricos o los instrumentos utilizados en la exploración espacial (Mantooth Zetterling & Rusu).

El carburo de silicio se utilizó por primera vez en la industria en forma de diodos emisores de luz y detectores de las primeras radios, que requerían temperaturas de funcionamiento y niveles de tensión elevados. Los primeros MOSFET fabricados con carburo de silicio se comercializaron en las décadas de 1970 y 1980, con una estructura entrelazada de semiconductores de tipo p intercalados por capas aislantes de óxido con electrodos de puerta intercalados. Gracias a sus características de baja resistencia, los chips de carburo de silicio permitían el paso de corriente a temperaturas más elevadas con menores pérdidas de potencia.

Los dispositivos de alimentación de carburo de silicio están revolucionando la forma de alimentar los vehículos eléctricos, ya que soportan un mayor calor, duran más y son más eficientes energéticamente que los semiconductores fabricados con transistores de potencia de silicio. Por ello, muchos fabricantes de VE están optando por los dispositivos de carburo de silicio para reducir el coste y el peso de los vehículos.

Las obleas SiC base y las soluciones de semiconductores de Wolfspeed ofrecen a los diseñadores de sistemas de alimentación todo lo que necesitan para actualizar cualquier sistema de alimentación a la tecnología de carburo de silicio, ahorrando 40% sólo en costes de energía de refrigeración al instalar los transistores de potencia SiC de Wolfspeed en los servidores.