Autor: Ajay Sattu, onsemi
Los semiconductores de banda ancha (wide-bandgap, WBG) como el SiC son fundamentales en las aplicaciones actuales en mercados como la automoción y las energías renovables. Nuestro mundo se halla en plena transición hacia fuentes de energía sostenibles (principalmente eléctricas), de ahí que la importancia de la eficiencia sea mayor que nunca.
Una de las formas de incrementar la eficiencia en convertidores de potencia consiste en reducir las pérdidas en el cobre y las pérdidas de conmutación. Sin embargo, para superar este reto los voltajes del bus de CC están aumentando y las tecnologías de los semiconductores deben evolucionar para mantenerse al día. Estas tecnologías son críticas para las empresas y para cumplir con los compromisos de reducir las emisiones de carbono.
En este artículo, onsemi describe cómo están evolucionando los dispositivos de SiC de próxima generación para cumplir los requisitos de las aplicaciones más recientes. También se explica porqué una cadena de fabricación robusta de principio a fin también es fundamental para garantizar el éxito en todo momento, cuando hablamos de carboro de silicio.
La tecnología acelera con rapidez debido a diversos factores en numerosos sectores donde se aplica. Si observamos los dos mercados más importantes, la industria y la automoción, las tendencias dominantes son: el aumento de la eficiencia, la reducción del tamaño y la mejora de la captación del entorno por medio de sensores de imagen.
En el sector industrial se están desarrollando avances en los MOSFET y en los módulos de potencia con el fin de mejorar la eficiencia energética y el coste del sistema en una gran variedad de sistemas industriales. Dos áreas especialmente beneficiadas son la infraestructura de carga de vehículos eléctricos (VE) y las aplicaciones de energías alternativas / renovables, como la solar.
Coste y rendimiento son dos factores esenciales en muchas aplicaciones industriales. Se exige a los diseñadores que los inversores solares suministren más potencia sin incrementar su tamaño, o que reduzcan los costes de refrigeración asociados al almacenamiento de energía. La posibilidad de cargar las baterías de forma eficiente se considera primordial para la proliferación de los coches eléctricos. Sin embargo, lo que es crítico es lograr una carga más rápida a través de un cargador de pared de CC, o la carga rápida directa en corriente contínua sin necesidad de refrigeración adicional.
En el ámbito de la automoción, la eficiencia está estrechamente ligada a la autonomía del vehículo así como al tamaño, peso y coste de la electrónica instalada a bordo. En este caso la implementación de soluciones basadas en módulos de potencia SiC en VE e híbridos está aportando notables mejoras del rendimiento sobre alternativas basadas en IGBTs, junto con las ventajas que añaden las mejoras en la gestión de la alimentación en las CPU del automóvil, las luces LED y la electrónica de control del vehículo.
El inversor de tracción es un elemento clave que influye en la eficiencia del vehículo en general y por tanto sobre su autonomía. Teniendo en cuenta el perfil de conducción, un coche suele funcionar la mayor parte del tiempo con poca carga, y por tanto la mejora de la eficiencia que ofrecen las soluciones de SiC en comparación con los IGBT son bien conocidas. Además, el cargador instalado a bordo del vehículo debe ser lo más pequeño posible. Los de menor tamaño solo son factibles con dispositivos WBG que alcancen una alta frecuencia de conmutación. Hasta la última pizca de energía ahorrada permite al vehículo mejorar su autonomía y mitigar esta preocupación.
Ventajas de la tecnología SiC en las aplicaciones actuales
Toda conversión de potencia en las aplicaciones industriales y de automoción se basa en dispositivos de conmutación basados en semiconductores y diodos para ser eficientes y reducir las pérdidas en la conversión. De ahí que la industria de semiconductores haya trabajado para aumentar el rendimiento de los dispositivos semiconductores basados en silicio utilizados en aplicaciones de potencia, en especial IGBT, MOSFET y diodos. Esto, junto con la innovación introducida en las topologías de conversión de potencia, ha dado como resultado un rendimiento mejor que nunca.
Figura 1: Muchas aplicaciones aprovechan las ventajas de la tecnología SiC.
Los dispositivos semiconductores basados en silicio estaban alcanzando el límite de su capacidad para seguir incrementando la eficiencia, por lo que se necesitaba un nuevo material alternativo. Los materiales WBG, como el SiC y el nitruro de galio (GaN) son muy prometedores de cara al futuro. Los sistemas electrónicos exigen unos mayores niveles de rendimiento, densidad y fiabilidad, lo cual a su vez impulsa el desarrollo de la tecnología SiC.
Tanto en la tracción del automóvil, como en inversores solares o en los cargadores de vehículos eléctricos, los MOSFET y diodos de SiC mejoran el rendimiento y los costes del sistema respecto a los IGBT y los rectificadores de silicio. La banda ancha del SiC permite unos campos críticos más intensos que el silicio, lo cual se traduce en una mayor capacidad de bloqueo de tensión, del orden de 1700V y 2000V. Además el SiC tiene inherentemente unos mayores niveles de movilidad de los electrones y de velocidad de saturación que los dispositivos de silicio, por lo que pueden funcionar a una frecuencia y unas temperaturas de unión notablemente más elevadas, dos aspectos muy beneficiosos. Los dispositivos de SiC también pueden conmutar con unas pérdidas relativamente bajas a frecuencias más altas, por lo que disminuyen el tamaño, el peso y el coste de los componentes pasivos correspondientes, como los de tipo magnético y los condensadores.
Figura 2: Los materiales con una banda ancha como el SiC aportan numerosas ventajas a los sistemas de potencia (Fuente: ONSAR2992)
La reducción significativa de las pérdidas en conducción y conmutación provoca que las soluciones de potencia basadas en SiC generen menos calor. Esto, junto con su capacidad de funcionar con temperaturas de unión (Tj) de hasta 175°C, hace que necesite mitigar mucho menos el calor mediante ventiladores y disipadores, con la consiguiente reducción de tamaño, peso y coste del sistema, además de garantizar una fiabilidad muy superior incluso en las aplicaciones más exigentes dentro de espacios limitados.
Necesidad de dispositivos de mayor voltaje
La banda ancha del SiC permite unos campos críticos más intensos que el silicio, lo cual se traduce en una mayor capacidad de bloqueo de tensión, del orden de 1700V y 2000V. Para una potencia determinada, incrementar los voltajes disminuiría las necesidades de corriente y por tanto las pérdidas totales en el cobre. En aplicaciones de energías renovables como los sistemas solares fotovoltaicos, la tensión del bus de CC procedente de los paneles fotovoltaicos se ha incrementado de 600 V a 1500 V con el fin de mejorar la eficiencia. Del mismo modo, existe una transición del bus de 400 V en los coches a un bus de 800 V (y en algunos casos de 1000 V) para impulsar la eficiencia y acortar los tiempos de carga. En el pasado se usaban dispositivos con una tensión nominal de 750 V para tensiones del bus de 400 V, pero ahora se precisan tensiones más elevadas, como 1200 V e incluso 1700 V, para garantizar un funcionamiento fiable en estas aplicaciones.
La tecnología más avanzada
Con el objetivo de cubrir esta necesidad de incrementar las tensiones de ruptura, onsemi ha desarrollado su gama de dispositivos MOSFET EliteSiC planos M1 de 1700 V optimizados para aplicaciones de conmutación rápida. Uno de los primeros dispositivos disponibles es el NTH4L028N170M1 con una VDSS de
1700 V y una VGS ampliada de -15/+25 V. El dispositivo se caracteriza asimismo por su excelente RDS(ON) típica de solo 28 mW.
Estos nuevos MOSFET de 1700 V pueden funcionar con temperaturas de unión (Tj) de hasta 175°C, por lo que los disipadores de calor pueden ser mucho más pequeños o incluso se pueden eliminar por completo. El NTH4L028N170M1 incorpora una conexión de fuente Kelvin en la cuarta patilla (encapsulado TO-247-4L) que mejora la disipación de potencia y el ruido de la puerta al conmutar para conducir. También se encuentra disponible en una configuración D2PAK–7L que disminuye aún más los elementos parásitos del encapsulado en dispositivos como el NTBG028N170M1.
Figura 3: Nuevos MOSFET EliteSiC de 1700 V de onsemi.
Pronto estará disponible un MOSFET de SiC de 1700 V y 1000 mW en encapsulados TO-247-3L y D2PAK-7L. Este dispositivo está destinado a fuentes de alimentación auxiliares de alta fiabilidad en aplicaciones de carga de VE y energías renovables.
Además de los MOSFET, onsemi también ha desarrollado una gama de diodos Schottky de SiC de 1700 V. Con este rango, los dispositivos de la familia D1 ofrecerán un margen de tensión entre VRRM y la máxima tensión inversa repetitiva del diodo. En concreto, los nuevos dispositivos proporcionarán una menor VFM, la máxima tensión directa y una excelente corriente de fuga inversa incluso a alta temperatura, permitiendo así que los diseñadores consigan un funcionamiento estable con una tensión alta y bajo temperaturas elevadas.
Figura 4: Nuevos diodos Schottky de 1700 V de onsemi.
Los nuevos dispositivos (NDSH25170A y NDSH10170A) se suministran en encapsulado TO-247-2L y también sin encapsular, así como en una versión de 100 A que aún no está disponible en versión encapsulada.
Consideraciones sobre la cadena de fabricación
La escasez de componentes está afectando a las cadenas de suministro en algunos sectores, de ahí que sea muy importante tener en cuenta el suministro al seleccionar nuevos dispositivos y tecnologías. Asegurar un suministro fiable a los clientes y ofrecer soporte a su rápido crecimiento es el objetivo de la reciente adquisición de GTAT por parte de onsemi. Esto no solo refuerza la cadena de suministro de onsemi sino que también le permite aprovechar la experiencia técnica de GTAT.
En la actualidad, onsemi es el único gran suministrador con capacidad de suministro integral que incluye un potente soporte para el crecimiento de cristales de SiC, sustratos, crecimiento epitaxial, fabricación de dispositivos, los mejores módulos integrados y soluciones discretas.
Con el fin de satisfacer el crecimiento previsto del SiC durante los próximos años, onsemi tiene previsto quintuplicar la capacidad de sus operaciones con sustratos así como efectuar inversiones sustanciales para expandir la capacidad de fabricación de dispositivos y módulos, para duplicarla en todas sus plantas en 2023. A continuación casi duplicará su capacidad de nuevo en 2024 y se espera que vuelva a duplicarla en el futuro.
Resumen
El SiC ofrece un rendimiento que permitirá a los diseñadores cubrir las necesidades de las exigentes aplicaciones actuales en ámbitos como automoción, energías renovables e industria, especialmente por lo que respecta a la densidad de potencia y los aspectos térmicos.
Si bien esta tecnología sigue madurando, su constante evolución y los avances en sectores de aplicación clave implican que el SiC también debe evolucionar para cubrir estas necesidades crecientes. Un ejemplo de ello es la necesidad de mayores tensiones de ruptura que onsemi ha conseguido con sus nuevos MOSFET y diodos SiC de 1700 V. Además onsemi está desarrollando en la actualidad una tecnología MOSFET SiC de 2000V destinada a aplicaciones emergentes como energía solar, transformadores de estado sólido y disyuntores de circuitos electrónicos.
