Cómo aplicar los MOSFET de SiC de tercera generación a los diseños de potencia para obtener un mayor rendimiento y eficiencia

Aunque estos nuevos dispositivos ofrecían importantes ventajas en las principales métricas de rendimiento, los diseñadores fueron prudentes al desconfiar de los dispositivos de SiC de primera generación debido a diversas limitaciones e incertidumbres de aplicación. Los dispositivos de segunda generación trajeron consigo especificaciones mejoradas junto con una mejor comprensión de las sutilezas del dispositivo. A medida que aumentaba el rendimiento de los MOSFET de SiC y se intensificaban las presiones de salida al mercado, los diseñadores utilizaban estos nuevos dispositivos para cumplir los objetivos del producto. Más recientemente, los dispositivos de tercera generación están demostrando la madurez de los dispositivos de potencia basados en SiC. Estos dispositivos ofrecen a los usuarios mejoras en los parámetros clave, al tiempo que se basan en la experiencia de diseño y los conocimientos relacionados de las generaciones anteriores.

Este artículo compara el Si con el SiC, antes de analizar el desarrollo y la migración a los MOSFET de SiC de tercera generación. A continuación, presenta ejemplos reales de Toshiba Semiconductor and Storage Corp. (Toshiba) para mostrar cómo estos dispositivos pueden ayudar a los diseñadores a lograr avances significativos en el diseño de sistemas de energía.

Silicio frente a SiC

A lo largo de las últimas décadas, el MOSFET de silicio ha transformado el diseño de los sistemas de potencia, desde las fuentes de alimentación básicas y los inversores hasta los accionamientos de motor. Junto con el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) -un semiconductor funcionalmente similar pero de construcción y atributos muy diferentes-, el MOSFET de Si optimizado para la conmutación ha permitido la transición de la conversión y gestión de la energía tradicional e ineficiente, basada en topologías lineales, a un enfoque mucho más eficiente y compacto que utiliza el control conmutado.

La mayoría de estos diseños utilizan una forma de modulación por ancho de pulsos (PWM) para suministrar y mantener el valor deseado de tensión, corriente o potencia en una disposición de retroalimentación de bucle cerrado. A medida que crecía el uso de los MOSFET de silicio, también aumentaban las exigencias que se les imponían. Además, los nuevos objetivos de eficiencia (muchos de ellos basados en mandatos normativos), los mercados de vehículos eléctricos y de control de motores más inteligentes, la conversión de energía para las energías renovables y los sistemas de almacenamiento de energía asociados, han empujado a estos MOSFET a hacer más y mejor.

Como resultado, una cantidad considerable de esfuerzos de I+D ha mejorado el rendimiento de los MOSFET basados en el silicio, pero los investigadores se dieron cuenta de que este esfuerzo estaba alcanzando el punto de rendimiento decreciente. Afortunadamente, disponían de una alternativa, en teoría, basada en dispositivos de conmutación de potencia que utilizaban SiC como sustrato en lugar de silicio.

¿Por qué utilizar SiC?

Por diversas razones de física profunda, el SiC tiene tres características eléctricas principales que difieren significativamente del silicio, y cada una de ellas aporta ventajas operativas; también hay otras diferencias más sutiles (Figura 1).

Figura 1: Comparación aproximada entre las principales propiedades de los materiales sólidos de SiC frente a los de Si y nitruro de galio (GaN). (Fuente de la imagen: Researchgate)

Las tres características principales son:

• Mayor tensión crítica de ruptura del campo eléctrico de unos 2.8 megavoltios/centímetro (MV/cm) frente a 0.3 MV/cm, por lo que el funcionamiento a una tensión nominal determinada es posible con una capa mucho más fina, reduciendo en gran medida la resistencia de «encendido» de la fuente de drenaje (RDS_(on)).
• Mayor conductividad térmica, lo que permite una mayor densidad de corriente en un área de sección transversal.
• Un bandgap más amplio (la diferencia de energía en electronvoltios entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción en semiconductores y aislantes), lo que da lugar a una menor corriente de fuga a altas temperaturas. Por esta razón, los diodos de SiC y los transistores de efecto de campo (FET) suelen denominarse dispositivos de banda ancha (WBG).

Como resultado, los dispositivos basados en SiC pueden bloquear voltajes hasta diez veces superiores a los de las estructuras de silicio, pueden conmutar unas diez veces más rápido y tienen una RDS_(on) de la mitad o menos a 25 °C, utilizando la misma superficie de matriz (todas las cifras son aproximadas, por supuesto). Además, la pérdida relacionada con la desconexión de los dispositivos de SiC es menor porque no hay una corriente de cola perjudicial. Al mismo tiempo, su capacidad para funcionar a temperaturas mucho más altas, de aproximadamente 200 °C, frente a 125 °C, facilita los problemas de diseño y gestión térmica.

Debido a sus atributos de rendimiento y a sus avances, los dispositivos de SiC han pasado a ocupar un lugar destacado en la matriz de aplicaciones de potencia frente a velocidad, uniéndose a los IGBT, los MOSFET de silicio y los dispositivos de GaN (Figura 2).

Figura 2: Los atributos de rendimiento de los MOSFETs de SiC los hacen adecuados para una amplia gama de aplicaciones que abarcan un rango de potencias y frecuencias. (Fuente de la imagen: Toshiba)

El camino desde la ciencia de los materiales de SiC y la física de los dispositivos hasta los MOSFET de SiC comerciales no fue rápido ni fácil (Figura 3). Tras un gran esfuerzo de investigación y producción, los primeros dispositivos basados en SiC, los diodos Schottky, se presentaron en 2001. En las dos décadas siguientes, la industria desarrolló y lanzó volúmenes de producción de MOSFET de SiC de primera, segunda y tercera generación. Cada generación ofrece mejoras específicas en determinados parámetros, junto con compensaciones algo diferentes.

Figura 3: La historia de los dispositivos comerciales basados en SiC comienza con los primeros diodos Schottky de SiC comerciales, que aparecieron en 2001. (Fuente de la imagen: IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017)

Es importante tener clara la terminología: al igual que sus predecesores de silicio, los FET de SiC son MOSFET. En sentido amplio, las estructuras físicas internas son similares, y ambos son dispositivos de tres terminales con conexiones de fuente, drenaje y compuerta. La diferencia es la que indican sus nombres: Los FETS basados en SiC utilizan SiC como material de base en lugar de silicio solo.

Comenzar con la primera y segunda generación

Hay muchos parámetros que caracterizan el rendimiento de un dispositivo de conmutación. Entre los numerosos parámetros estáticos se encuentran la tensión máxima de funcionamiento y la corriente máxima nominal, junto con dos figuras de mérito (FoM) estáticas: la RDS_(on) y la temperatura máxima de funcionamiento, que están relacionadas con la capacidad de manejo de la potencia para un tamaño de matriz y un paquete determinados.

Al tratarse de dispositivos de conmutación, los parámetros dinámicos también son fundamentales, ya que son necesarios para evaluar las pérdidas de conmutación. La FoM dinámica más citada es el producto de la RDS_(on) y la carga de compuerta, RDS_(on) × Q_g, mientras que otra cada vez más importante es la carga de recuperación inversa, Q_rr. El tamaño y las capacidades del controlador de puerta necesarias para alimentar y descargar correctamente la corriente al dispositivo de conmutación -y hacerlo sin sobreimpulso, timbre u otras distorsiones- están determinados principalmente por estos FoM.

El uso y el crecimiento del mercado de los dispositivos de SiC de primera generación se han visto frenados por problemas de fiabilidad. Uno de ellos es el de los diodos PN, que se colocan entre la fuente de alimentación y el drenaje de un MOSFET de potencia. La tensión aplicada al diodo PN lo energiza, lo que resulta en un cambio de la resistencia de encendido que degrada la fiabilidad del dispositivo.

La segunda generación de Toshiba modificó la estructura básica del dispositivo de SiC utilizando un diodo de barrera Schottky (SBD) integrado en el MOSFET para resolver en gran medida este problema (Figura 4). Esto mejoró la fiabilidad en más de un orden de magnitud. La nueva estructura evitó la energización del diodo PN al colocar el SBD en paralelo con el diodo PN dentro de la celda. La corriente fluye a través del SBD incrustado porque su tensión de estado de conexión es menor que la del diodo PN, suprimiendo así algunos cambios en la resistencia de conexión y la degradación de la fiabilidad del MOSFET.

Figura 4: A diferencia del típico MOSFET de SiC sin diodo de barrera Schottky (SBD) interno (izquierda), el que lo lleva (derecha) puede minimizar la energización del diodo PN parásito. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Los MOSFET con SBD incorporados ya se utilizaban en la práctica, pero sólo en productos de alta tensión, como los dispositivos de 3.3 kilovoltios (kV), ya que el SBD incorporado hacía que la resistencia de encendido acabara aumentando hasta un nivel que sólo podían tolerar los productos de alta tensión. Toshiba ajustó varios parámetros del dispositivo y descubrió que la relación del área del SBD en un MOSFET es la clave para suprimir el aumento de la resistencia a la conexión. Mediante la optimización de la relación SBD, Toshiba ideó un MOSFET de SiC de clase 1.2 kV con una notable mejora de la fiabilidad.

Sin embargo, como ocurre con muchas mejoras, hubo que hacer concesiones. Aunque la nueva estructura del dispositivo mejoró significativamente la fiabilidad, también tuvo un efecto perjudicial en dos FoM. Aumentó la RDS_(on) nominal así como la RDS_(on) × Q_g, reduciendo el rendimiento del MOSFET. Para compensar y reducir la resistencia a la conexión, los MOSFET de SiC de segunda generación han aumentado el área de la matriz, pero esto ha incrementado el coste.

La tercera generación muestra una verdadera madurez

Consciente de esta preocupación, Toshiba desarrolló una tercera generación de dispositivos MOSFET de SiC, denominada familia TWXXXN65C/TWXXXN120C. Estos dispositivos han optimizado la estructura de la capa de distribución de corriente para reducir el tamaño de la célula y ofrecer también una mayor tensión nominal, una conmutación más rápida y una menor resistencia de encendido.

La on-resistencia se reduce en parte por la reducción de la resistencia de propagación (R_spread). La corriente SBD se incrementa inyectando nitrógeno en el fondo de la amplia región de difusión tipo P (P-well) del MOSFET de SiC. Toshiba también redujo la región del JFET e inyectó nitrógeno para reducir la capacitancia de retroalimentación y la resistencia del JFET. Como resultado, la capacitancia de retroalimentación se redujo sin aumentar la resistencia de encendido. También se obtuvo un funcionamiento estable sin fluctuación de la resistencia a la conexión mediante el posicionamiento optimizado del SBD.

En la actualidad, la familia consta de MOSFET de SiC de 650 y 1.200 voltios diseñados para aplicaciones industriales de alta potencia, como fuentes de alimentación AC/DC de 400 y 800 voltios, inversores fotovoltaicos (PV) y convertidores CC/CC bidireccionales para sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS). Tanto los MOSFET de SiC de 650 voltios como los de 1.200 voltios se ofrecen en el encapsulado TO-247 de tres terminales estándar del sector (Figura 5).

Figura 5: Alojados en un encapsulado estándar T0-247, los MOSFET de SiC de tercera generación de 650 voltios y 1200 voltios de Toshiba son adecuados para una amplia gama de aplicaciones de conversión, control y gestión de la energía. (Fuente de la imagen: Toshiba)

En estos MOSFETs de SiC de tercera generación, el RDS_(on) × Q_g FoM se reduce en un 80% en comparación con los dispositivos de segunda generación de Toshiba -un descenso significativo-, mientras que la pérdida de conmutación se reduce en aproximadamente un 20%. La tecnología de diodos de barrera Schottky incorporada también ofrece una tensión directa (V_F) ultrabaja.

Hay otras sutilezas de diseño asociadas a los MOSFET. Por ejemplo, V_GSS. La V_GSS es la tensión máxima que se puede aplicar entre la puerta y la fuente mientras el drenaje y la fuente están en cortocircuito. Para los dispositivos SiC de tercera generación, el rango de V_GSS es de 10 a 25 voltios, siendo 18 voltios el valor recomendado. Los amplios índices de V_GSS ayudan a facilitar el diseño y a mejorar la fiabilidad del mismo.

Además, la baja resistencia y una mayor tensión de umbral de puerta (VGS_(th)) –la tensión a la que el canal del MOSFET comienza a conducir- ayudan aevitar fallos de funcionamiento, como el encendido accidental debido a picos, fallos y sobreimpulsos. Esta tensión oscila entre 3.0 y 5.0 voltios, lo que ayuda a garantizar un rendimiento de conmutación predecible con una deriva mínima, al tiempo que permite un diseño sencillo del controlador de puerta.

Un vistazo a los MOSFET de SiC de tercera generación de 650 y 1200 voltios

Un vistazo a dos dispositivos en los extremos opuestos del espectro de la familia, los dispositivos de 650 y 1200 voltios, muestra el alcance de sus capacidades. El paquete físico, la disposición de los pines y el símbolo esquemático de todos ellos es el mismo (Figura 6), pero los detalles difieren.

Figura 6: Todos los miembros de la familia de MOSFET de SiC de tercera generación de Toshiba tienen la misma disposición física y símbolo esquemático; obsérvese el diodo de barrera Schottky integrado en el símbolo. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Un dispositivo de 650 voltios es el TW015N65C, un dispositivo de canal N de 100 amperios (A) y 342 vatios. Sus valores típicos de especificación son una capacitancia de entrada (C_ISS) de 4.850 picofaradios (pF), una baja carga de entrada de puerta (Q_g) de 128 nanoculombios (nC), y un R_DS(on) nominal de sólo 15 miliohmios (mΩ).

Junto con las tablas de cifras mínimas, típicas y máximas de los parámetros estáticos y dinámicos, la hoja de datos tiene gráficos que muestran el rendimiento de los parámetros críticos frente a factores como la temperatura, la corriente de drenaje y la tensión puerta-fuente (V_GS). Por ejemplo, en la Figura 7 se muestra el valor de RDS_(on) frente a la temperatura, la corriente de drenaje (I_D) y la tensión puerta-fuente V_GS.

Figura 7: Se muestran gráficos que caracterizan la resistencia de encendido del TWO15N65C desde diferentes perspectivas, incluyendo la corriente de drenaje, la temperatura ambiente y la V_GS. (Fuente de la imagen: Toshiba)

El mismo conjunto de especificaciones y gráficos se muestra en la Figura 8 para los dispositivos de 1200 voltios, como el TW140N120C, un dispositivo de canal N de 20 A y 107 vatios. Este MOSFET de SiC presenta un bajo C_ISS de 6000 pF, una carga de entrada en la puerta (Q_g) de 158 nanoculombios (nC) y un R_DS(on) de 140 mΩ.

Figura 8: Gráficos de caracterización de la resistencia de encendido del TW140N120C. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Los diez MOSFET SiC de tercera generación disponibles comprenden cinco dispositivos de 650 voltios junto con cinco dispositivos de 1200 voltios. A 25 °C, tienen los siguientes valores de resistencia de encendido, corriente y potencia:

650 voltios:

• 15 mΩ, 100 A, 342 vatios (el TWO15N65C)
• 27 mΩ, 58 A, 156 vatios
• 48 mΩ, 40 A, 132 vatios
• 83 mΩ, 30 A, 111 vatios
• 107 mΩ, 20 A, 70 vatios

1200 voltios:

• 15 mΩ, 100 A, 431 vatios
• 30 mΩ, 60 A, 249 vatios
• 45 mΩ, 40 A, 182 vatios
• 60 mΩ, 36 A, 170 vatios
• 140 mΩ, 20 A, 107 vatios (el TW140N120C)

Conclusión:

Los MOSFET de carburo de silicio ofrecen una mejora significativa en los parámetros críticos de conmutación, en relación con los dispositivos de sólo silicio. En comparación con las generaciones anteriores, los componentes de SiC de tercera generación ofrecen mejores especificaciones y FoM, una mayor fiabilidad, una mejor caracterización de los requisitos de los controladores de puerta y una mayor comprensión de las inevitables sutilezas de diseño. Con estos MOSFET de SiC, los diseñadores de sistemas de potencia disponen de un recurso básico adicional que pueden utilizar para lograr una mayor eficiencia, un menor tamaño y un mejor rendimiento general.

Fuente: https://www.digikey.es/es/articles/how-to-apply-third-generation-sic-mosfets-to-power-designs