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domingo , agosto 19 2018
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Sistemas de conversión de potencia de próxima generación gracias a los dispositivos de potencia de SiC

Los primeros diodos de barrera Schottky (Schottky Barrier Diodes, SBD) de SiC disponibles en el mercado se presentaron hace más de diez años. Desde entonces, los SBD de SiC se han incorporado al diseño de numerosos sistemas de potencia, especialmente en circuitos de corrección del factor de potencia (power factor correction, PFC) de fuentes de alimentación conmutadas. A continuación llegaron los interruptores de potencia de SiC (JFET, BJT y MOSFET). Para aplicaciones que exigen mayores niveles de potencia y que acepten dispositivos discretos, los suministradores proporcionan actualmente módulos de potencia que integran múltiples dispositivos discretos (encapsulados o con la pastilla de semiconductor desnuda) en formatos compactos. Estos módulos compactos están disponibles en todas las versiones SIC SBD formadas íntegramente por SiC o híbridas IGBT-SiC. 

Existen múltiples suministradores de SBD de SiC. 

Los primeros conmutadores de SiC que se ofrecen son JFET y BJT, mientras que los MOSFET de SiC representan la incorporación más reciente a lo largo de los dos o tres últimos años. La madurez de la tecnología, sus prestaciones y la enorme reducción de coste gracias al creciente volumen y a la mayor competencia son las principales razones por las cuales los MOSFET de SiC han sido adoptados en más y más aplicaciones. 

Los SBD de SiC actualmente disponibles se caracterizan por unos rangos de tensión de ruptura de 600V-1700V y una corriente de 1A-60A. Por tanto, los dispositivos de SiC tienden a competir con los MOSFET de silicio en el rango de 600V-900V y con los IGBT en el rango superior a 1kV. Generalmente hay disponibles tanto dispositivos encapsulados como en pastilla de semiconductor desnuda. 

Tras haberse integrado con éxito en sistemas de potencia durante más de 10 años, las ventajas de los SBD de SiC son bien conocidas por los ingenieros de potencia. Los MOSFET de SiC constituyen la incorporación más reciente y han ganado una creciente aceptación entre los diseñadores de potencia debido al funcionamiento del dispositivo normalmente en corte. Se trata de dispositivos controlados por tensión cuyo control de puerta resulta sencillo si se compara con los transistores de unión de efecto de campo (junction gate field effect transistors, JFET) y los transistores de unión bipolar (bipolar junction transistors, BJT). 

ROHM Semiconductor ha anunciado recientemente dos nuevos MOSFET de SiC de 1200V, denominados SCT2080KE y SCH2080KE que están diseñados para proporcionar unas prestaciones revolucionarias a nivel de costes. 

Se trata de dos dispositivos de 80 miliohmios (mΩ) y el SCH2080KE de ROHM es el primer MOSFET de SiC encapsulado junto con un SBD de SiC discreto en antiparalelo. Las características, ventajas y parámetros del dispositivo se presentarán en este artículo a modo de ejemplo. 

MOSFET de SiC: aprovechamiento de las propiedades del material SiC para introducir mejoras en los conmutadores de potencia 

Un conmutador de potencia ideal tiene estas características: 

• Capacidad para transportar elevadas corrientes sin caída de tensión en conducción 

• Bloquea tensiones altas sin fugas en estado de corte 

• No registra pérdidas de energía cuando conmuta de corte a conducción y viceversa 

Con el silicio resulta difícil combinar estas características deseables pero diametralmente opuestas, especialmente para elevados valores de tensión y corriente. Por ejemplo, para una tensión de ruptura de 800V o superior, la resistencia del canal (y por tanto la caída de tensión directa) es muy alta debido a la gran zona de deriva necesaria para resistir tal tensión. Los transistores bipolares de puerta aislada (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) fueron desarrollados para solucionar este problema. Con los IGBT, la baja resistencia para una elevada tensión de ruptura se logra a expensas de las prestaciones en conmutación. Se inyectan portadores minoritarios en la región de deriva para reducir la resistencia en conducción (on). Cuando el transistor pasa a corte, estos portadores necesitan tiempo para recombinarse y “disiparse” de la región base, incrementando así las pérdidas en conmutación y el tiempo. 

Los MOSFET son dispositivos mayoritariamente portadores, por lo que no tienen corriente de “cola”, al igual que ocurre con los IGBT cuando pasan a corte. Por tanto, los MOSFET de SiC combinan las tres características deseables en un conmutador de potencia, es decir, alta tensión de ruptura, baja resistencia en conducción y alta velocidad de conmutación. 

El menor tamaño de la pastilla de semiconductor del MOSFET de SiC significa que hay menos capacidades parásitas. Si se compara con un MOSFET de silicio de 900V, los valores de Ciss y Coss son 10 veces más pequeños. A 100 nC, la carga de puerta es aproximadamente cinco veces más baja. El SCH2080KE de ROHM, que combina MOSFET de SiC y SBD de SiC en un solo encapsulado, ofrece una pérdida en el paso a corte un 88% más baja y una pérdida en el paso a conducción un 34% más baja que los IGBT de silicio y los diodos de recuperación rápida (fast recovery diodes, FRD). La mejora en el paso a corte se debe a la ausencia de corriente de cola en el MOSFET, mientras que la mejora en el paso a conducción se debe a la pérdida de recuperación mucho más baja del diodo de SiC. 

Estas pérdidas tan bajas en conducción aportan algunas ventajas destacables: 

• Unas bajas pérdidas equivalen a menos generación de calor, lo que a su vez se traduce en sistemas de refrigeración más sencillos, económicos, pequeños y/o ligeros, y en última instancia a una mayor densidad de potencia. 

• Unas bajas pérdidas en conmutación permiten aumentar la frecuencia de conmutación para reducir el tamaño de los componentes pasivos (condensadores, inductores), así como para reducir el coste, tamaño y peso del sistema. La reducción de tamaño es aproximadamente proporcional al incremento de la frecuencia. 

• El menor calor generado permite disminuir la temperatura de funcionamiento, de manera que las especificaciones de los componentes sean menos exigentes y permitiendo así quizás la utilización de componentes más pequeños y menos costosos. Al nivel del sistema, esto significa que un sistema de SiC con unas especificaciones más bajas puede sustituir a un sistema de silicio de especificaciones más altas. 

Ventajas de los MOSFET de SiC a alta temperatura 

Debido al mayor ancho de banda del material, un dispositivo de SiC puede trabajar a una temperatura muy elevada. Los SBD y MOSFET de SiC actualmente disponibles presentan un valor nominal de tan solo 150˚C a 175˚C, debido principalmente a las limitaciones del encapsulado. Se ha demostrado que los módulos de potencia de SiC que utilizan una tecnología especial de conexión a la pastilla de semiconductor pueden trabajar a 250˚C. Además, en trabajos de I+D que hay en curso estos dispositivos han funcionado a 650˚C. El límite superior del dispositivo semiconductor de silicio es de 300˚C, cuando el material deja de comportarse como un semiconductor. A ello hay que añadir que la conductividad térmica del SiC es tres veces superior a la del silicio. Estas propiedades contribuyen a rebajar las necesidades de refrigeración, simplificando así la refrigeración de los componentes de SiC. Esto da como resultado unos sistemas térmicos más pequeños, ligeros y de menor coste. 

Igualmente, las características eléctricas de los MOSFET de SiC no varían con la temperatura tanto como en el MOSFET de silicio (esto se cumple también los SBD de SIC). Por ejemplo, la Rds-on del SCT2080KE de ROHM es de 80 mΩ a Tj = 25˚C. A Tj = 125˚C, Rds es igual a 125 mΩ, lo cual representa 64 un incremento del 56%. Con los MOSFET de silicio, el incremento es superior al 200%. La ventaja es que los MOSFET de SiC no han de tener unas especificaciones tan bajas como el silicio. 

 

Fiabilidad de los MOSFET de SiC 

La fiabilidad representa uno de los aspectos más importantes en el diseño de electrónica de potencia, tanto si la aplicación es conversión de red, conversión de potencia o accionamientos eléctricos en vehículos eléctricos o electrodomésticos. Un tipo de fallo habitual en los dispositivos MOS es el sobreesfuerzo eléctrico del óxido de puerta. Por tanto, la calidad del óxido de puerta afecta directamente a la fiabilidad de los MOSFET de SiC. El desarrollo de óxido de alta calidad en un sustrato de SiC ha representado un importante problema para la industria hasta hace poco. El objetivo es minimizar la densidad de defectos – trampas en el interface y en el volumen – para no comprometer la vida operativa y la estabilidad de las características eléctricas. Otro aspecto acerca de la fiabilidad del dispositivo es la estabilidad de la tensión umbral de la puerta (Vth) ya que la puerta está sometida a las polarizaciones positiva y negativa. Cuando se aplica una tensión positiva a la puerta durante un largo período de tiempo, los defectos del cristal en el óxido-SiC se unen a electrones de trampa y provocan un aumento de Vth tal como se muestra en 8. De forma parecida, cuando se aplica una tensión negativa, los huecos atrapados provocan una disminución de Vth. Ésta es comparable a la de un MOSFET de silicio. En la práctica, la variación sería mucho menor ya que los MOSFET se conmutan alternativamente a conducción y corte. Esto permite que los electrones y huecos atrapados se “escapen” entre el ciclo de conmutación. Por tanto los portadores atrapados que se acumulan, y que producen una variación de Vth, son mucho menos numerosos. Los MOSFET de SiC con diodos estructurales fiables se pueden utilizar en topologías de circuito que provocan la conmutación del diodo estructural, como por ejemplo las topologías de puente en inversores. Si no se controlan, los defectos en la oblea y la capa epitaxial generan un aumento de la resistencia en conducción, la caída de tensión directa en el diodo y la corriente de fuga a medida que circula corriente directa a través del diodo. Esto se debe a la propagación de un conjunto de fallos provocados por la energía de recombinación. El calor a nivel local se ve incrementado con la resistencia en conducción, provocando así más fallos. ROHM ha desarrollado un proceso propio para minimizar la densidad de defectos así como la propagación de fallos. 

Los resultados de las pruebas realizadas sobre el MOSFET de SiC SCT2080KE de ROHM demuestran que el diodo estructural es robusto en conducción inversa. ROHM Semiconductor ofrece una extensa gama de MOSFET de SiC que cubre una tensión de ruptura de 400V a 1700V y unos valores de corriente de 10A a 63A. Los dispositivos disponibles se suministran en encapsulados para inserción (through-hole) así como en pastillas de semiconductor desnudas. Los dos primeros miembros de la línea de productos MOSFET de SiC de ROHM, el SCT2080KE y el SCH2080KE, se encuentran en fase de producción masiva desde julio de 2013 y ambos son de 1200V y 80 mΩ. El SCH2080KE contiene la pastilla de semiconductor del SCT2080KE y el diodo SBD de SiC discreto en antiparalelo en el mismo encapsulado. De esta forma se ahorra espacio en la placa, se simplifica el trazado y cuesta menos que los dispositivos discretos equivalentes. Como primicia en el mercado, el SCH2080 resulta especialmente indicado para aplicaciones en las que un pequeño tamaño y un bajo peso son importantes, por ejemplo accionamientos de motores y conversión CC/ CC en aplicaciones aeroespaciales y vehículos eléctricos e híbridos. Otros miembros pertenecientes a la familia de 1200V son MOSFET más pequeños y de menor coste con una Rds-on de 160 mΩ a 450 mΩ, así como pastillas de semiconductor más grandes (para corrientes más elevadas) y una Rds-on que es casi la mitad que en los dispositivos actuales. Todos estos dispositivos ya están cualificados para 175°C. 

Más información en: www. rohm.com/eu 


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