Impulsando el mañana

Autor: Armin Derpmanns, Vice President Marketing & Operations Division de Toshiba Electronics Europe GmbH

Los fabricantes de semiconductores, como Toshiba, están realizando importantes inversiones en productos y procesos para ofrecer «Excelencia en potencia» para el próximo siglo de la electrónica.

Las tecnologías transformadoras, como la inteligencia artificial, los vehículos eléctricos y los sistemas de energía renovable, están creando una enorme demanda de semiconductores de potencia de alto rendimiento. Estas aplicaciones comparten requisitos técnicos comunes —la necesidad de mayores densidades de potencia, una mayor eficiencia y una mejor gestión térmica— mientras operan a escalas en las que las mejoras incrementales se traducen en miles de millones de dólares en ahorro energético.

Para los proveedores de semiconductores, estas tecnologías representan una oportunidad significativa. Los avances en los MOSFET e IGBT basados en silicio, la aparición de materiales de banda ancha como el carburo de silicio (SiC) y las tecnologías de encapsulado mejoradas impulsarán la adopción sostenida de componentes de potencia críticos en múltiples mercados de alto crecimiento. En combinación con el compromiso a largo plazo con la fabricación sostenible, estos factores ofrecen a los fabricantes de semiconductores una oportunidad atractiva para sentar las bases de la excelencia en la electrónica de potencia de próxima generación.

Invertir en instalaciones

Para aprovechar este crecimiento del mercado, los proveedores de semiconductores se han estado preparando para un emocionante periodo de innovación. Toshiba, por ejemplo, reconoce que la infraestructura de IA, la movilidad eléctrica y los sistemas de energía renovable serán los principales impulsores del avance de la electrónica en las próximas décadas, y se ha dedicado a tomar medidas para aprovechar las oportunidades que se avecinan. Un plan de revitalización plurianual ha dado lugar a una inversión sostenida en instalaciones que impulsan la innovación en electrónica de potencia y apoyan el desarrollo de aplicaciones de vanguardia.

En Japón, por ejemplo, la finalización de una nueva planta de fabricación de obleas de 300 milímetros en la prefectura de Ishikawa significa que la capacidad de producción de Toshiba de semiconductores de potencia, principalmente MOSFET e IGBT, es 2,5 veces superior a la de 2021, cuando se elaboró el plan de inversión. Por otra parte, la construcción de una planta de producción de alta tecnología en la prefectura de Hyogo permite el montaje, el encapsulado y las pruebas altamente automatizados de una amplia gama de semiconductores discretos para aplicaciones como los vehículos eléctricos.

Es importante destacar que el Plan de Revitalización se adhiere a una estrategia global pero local para satisfacer la demanda de semiconductores de potencia en regiones clave del mundo. Esto implica reforzar su presencia en Europa para establecer conexiones más profundas con el mercado y ofrecer productos y soluciones a medida. Por lo tanto, Toshiba mantiene instalaciones en países como Alemania, Francia, Italia, España, Suecia y el Reino Unido, lo que le proporciona una perspectiva informada sobre los mercados individuales.

Desarrollo de nuevos productos

Entonces, ¿cómo se traducen estas inversiones en investigación, desarrollo e instalaciones de producción, en innovación de productos? La respuesta se encuentra en varios avances tecnológicos significativos en áreas como los MOSFET de SiC de alta eficiencia energética, los IGBT, los diodos y los controladores de puerta.

Veamos algunos de estos avances con más detalle. En primer lugar, está el desarrollo de nuevos MOSFET de carburo de silicio (SiC) de 1200 V que logran una resistencia en estado activo un 30 % menor gracias a una disposición en patrón de verificación de diodos de barrera Schottky (SBD) embebidos, diseñados específicamente para inversores de tracción automotriz. El novedoso diseño mejora la eficiencia energética al tiempo que mantiene una alta fiabilidad durante las operaciones de conducción inversa, un problema crítico que ha afectado a los MOSFET de SiC tradicionales. Dado que los motores eléctricos consumen más del 40 % de la energía eléctrica mundial, estos dispositivos de potencia más eficientes contribuirán de manera sustancial al ahorro de energía y a los esfuerzos de sostenibilidad en los vehículos eléctricos y las aplicaciones de control de motores. Además, para impulsar una mayor optimización de la tecnología SiC, Toshiba está desarrollando un MOSFET SiC de última generación que utiliza tecnología «trench» para mejorar la resistencia UIS, así como diodos de barrera Schottky Super Junction SiC que suprimen el aumento de la resistencia a altas temperaturas. Ambos ayudan a lograr una menor resistencia en estado activo al proporcionar altos niveles de fiabilidad.

Los IGBT y los diodos representan otra área de innovación. Toshiba cuenta con más de 20 años de experiencia en la producción de IGBT/diodos, con un récord de mercado de más de 300 millones de unidades y un historial probado de índices de defectos ultrabajos. Con ese fin, el último avance de un IGBT de conducción inversa basado en silicio, que combina un IGBT y un diodo «freewheeling» (rueda libre)en un solo chip, amplía aún más los límites de la innovación. Este enfoque reduce el área del chip de los elementos semiconductores de potencia, al tiempo que ofrece una baja resistencia térmica gracias a una gran área de disipación del calor. El IGBT de conducción inversa contribuye a la miniaturización de soluciones como los sistemas inversores de tracción. De cara al futuro, existe la posibilidad de optimizar aún más el diseño. Al suprimir la inyección de huecos excesivos desde el lado del IGBT durante el funcionamiento del diodo freewheeling, se mejoran las características del diodo freewheeling sin perjudicar las características del IGBT.

En tercer lugar, Toshiba ofrece una gama de dispositivos de protección y aislamiento, incluidos optoacopladores y fotorrelés de alta tensión para sistemas de gestión de baterías de automóviles, así como nuevas generaciones de aisladores digitales. Un punto clave para la optimización futura del sistema en el que Toshiba está trabajando actualmente es la tecnología de control de puerta activa (Active Gate Control), que ayuda a controlar los MOSFET y los IGBT de SiC de forma más eficaz, resolviendo el compromiso entre la pérdida de conmutación y el ruido mediante la optimización de la conducción de la puerta durante la conmutación. Aunque los detalles técnicos aún no se han revelado, las pruebas internas han demostrado que, al controlar la intensidad de la conducción en el momento óptimo, este control de puerta activa puede ofrecer mejoras tanto en las sobretensiones como en las pérdidas en comparación con un control de velocidad de respuesta estándar impulsado por voltaje, lo que supone una mejora significativa del rendimiento.

Optimización de los diseños

Estas son solo algunas de las innovaciones de productos que están contribuyendo a marcar el comienzo de una nueva era en la electrónica de potencia. Sin embargo, los avances tecnológicos deben formar parte de una estrategia de optimización más amplia, que vaya más allá del rendimiento de los componentes individuales para ofrecer factores clave como la robustez y la competitividad en cuanto a costes para aplicaciones específicas. La innovación en el encapsulado es un buen ejemplo: los ingenieros de Toshiba se centran en áreas críticas como la gestión térmica avanzada, la fiabilidad mejorada y los factores de forma compactos que mejoran el rendimiento general del sistema al tiempo que simplifican los procesos de fabricación.

La integración a nivel de sistema también es importante. Las familias de productos complementarios, incluidos los MCU, los controladores de puerta y los dispositivos de aislamiento, deben diseñarse para que funcionen juntos con la máxima eficiencia. Toshiba lo consigue mediante el suministro de diseños de referencia, modelos de simulación, soporte de simulación a nivel de sistema y un enfoque de diseño basado en modelos.

Además de las soluciones de semiconductores relacionadas con el nivel de los dispositivos, hay un ejemplo de cómo Toshiba Digital Solutions Corporation está abordando la simulación a nivel de sistema con VNET DCP. Este software de simulación de alto nivel conecta un gran número de modelos de simulación y diversas herramientas de desarrollo, lo que permite crear un entorno colaborativo para el desarrollo basado en modelos entre varios equipos y empresas. La plataforma basada en la nube permite a las empresas probar sistemas vehiculares complejos, como la conducción autónoma, en un espacio de trabajo digital seguro. Los fabricantes y proveedores pueden conectar modelos informáticos para realizar pruebas a gran escala sin compartir sus diseños secretos entre sí. VNET DCP se encarga automáticamente de la compleja tarea de vincular diferentes herramientas y modelos de simulación, lo que permite a los equipos controlar las pruebas de forma remota desde una única ubicación. Este enfoque colaborativo permite a las empresas identificar los problemas antes, mejorar la calidad y desarrollar mejores productos más rápidamente.

Operaciones sostenibles

Este enfoque integral proporciona una base sólida para el avance continuo de la electrónica de potencia. Toshiba también se ha comprometido con la investigación y el desarrollo a largo plazo para acelerar el desarrollo de capacidades más amplias y punteras que impulsen la consecución de la neutralidad en carbono y una economía circular a través de la digitalización. Por ejemplo, el Centro de Innovación Regenerativa de Düsseldorf (Alemania) actuará como centro de investigación central para dispositivos, como baterías y semiconductores; energía, con especial atención a los recursos renovables, el hidrógeno y la gestión energética; soluciones de carbono negativo, que incluyen la captura, el almacenamiento y la utilización de CO2; y plataformas digitales, destinadas a aprovechar los datos sobre energía y CO2.

La sostenibilidad también es un factor clave. Toshiba es miembro activo del Carbon Disclosure Project y ha sido nombrada por tercer año consecutivo «Líder en compromiso con los proveedores» por la organización internacional sin ánimo de lucro CDP en su evaluación de compromiso con los proveedores de 2024. Por su parte, la iniciativa Visión medioambiental para el futuro 2050 del Grupo Toshiba ofrece una hoja de ruta hacia una sociedad más sostenible.

En resumen, Toshiba reconoce la naturaleza transformadora de tecnologías como la inteligencia artificial, los vehículos eléctricos y los sistemas de energía renovable, así como el impacto positivo que tendrán en la sociedad en su conjunto. Con las personas, los productos y los procesos adecuados, Toshiba se compromete a apoyar el avance de dicha innovación a través de la «Excelencia en la energía», tanto ahora como en el futuro.