¿Cuál es el mejor MOSFET para mi aplicación?

A pesar de que los MOSFET basados en carburo de silicio (SiC) permiten unos niveles de eficiencia mucho mayores en comparación con las versiones basadas en silicio (Si), no siempre resulta fácil decidir qué tecnología es la mejor opción. En este artículo, pretendemos explicar los criterios a tener en cuenta. Para tensiones por encima de los 1000 V, los IGBT solían ser la solución elegida. Pero las “superpropiedades” del SiC posibilitan componentes unipolares de conmutación rápida que se pueden utilizar en lugar de los IGBT bipolares. Permiten que aplicaciones que antes solo eran factibles con tensiones más bajas (<600 V) ahora se implementen con tensiones más altas. En comparación con los IGBT bipolares, estos MOSFET basados en SiC consiguen unas reducciones de pérdida de potencia de hasta el 80 por ciento.

Infineon ha optimizado aún más las propiedades ya beneficiosas del SiC—con CoolSiC Trench Technology, es posible construir MOSFET con tensiones umbrales (V_th) especialmente altas y capacitancia Miller baja. Esto hace que sean más resistentes a los efectos de activación parásitos no deseables con respecto a otros MOSFET SiC. Además de los modelos de 1200 y 1700 V, Infineon ha ampliado su catálogo al incorporar MOSFET CoolSiC de 650 V, que también se pueden emplear en aplicaciones con una alimentación de 230 V. Sus mejoras en eficiencia de sistema y robustez y su menor coste permiten la utilización en aplicaciones como telecomunicaciones, servidores, estaciones de recarga para vehículos eléctricos y paquetes de batería. Si la elección generalmente se encuentra entre los MOSFET basados en Si probados y los MOSFET basados en SiC más recientes, hay varios criterios a considerar.

Eficiencia y densidad de potencia de la aplicación

En comparación con el silicio, la R_DSon del carburo de silicio es menos propensa a la volatilidad en el rango de temperatura operativa. Con un MOSFET basado en SiC, la R_DSon sólo se mueve en un factor de alrededor de 1,13 entre 25 y 100 °C, mientras que un MOSFET basado en Si típico, como el CoolMOS^TM C7 de Infineon, cambia en un factor de 1,67. Esto supone que la temperatura operativa tiene mucho menos impacto en la pérdida de potencia y, por lo tanto, puede ser mucho mayor. Como consecuencia, los MOSFET basados en SiC están especialmente indicados en aplicaciones con altas temperaturas o pueden rendir con soluciones de enfriamiento más sencillas para lograr los mismos niveles de eficiencia.

Controladores MOSFET

Al cambiar el silicio por el carburo de silicio, también surge la pregunta de cuáles son los controladores más adecuados. Si los controladores de MOSFET basados en Si generan una tensión de activación de puerta de hasta 15 V, generalmente pueden seguir siendo utilizados. Sin embargo, una tensión de activación de la puerta de hasta 18 V permite una reducción significativa en la resistencia R_DSon (hasta el 18 por ciento a 60 °C), de modo que aún valga la pena un cambio de controlador.

También se recomienda evitar tensiones negativas en la puerta, ya que pueden provocar una variación en V_GS(th), de forma que la R_DSon aumente con el funcionamiento prolongado. La caída de tensión a través de la inductancia de la fuente en el bucle de accionamiento de la puerta da como resultado una di/dt alta, que puede causar un nivel V_GS(off) negativo. Un desafío aún mayor lo plantea una dv/dts muy alta, consecuencia de la capacitancia de drenaje de la puerta del segundo interruptor en una configuración de medio puente (half–bridge). Este problema se puede evitar con una dv/dt más baja, pero a expensas de una eficiencia reducida.

La mejor forma de limitar la tensión de puerta negativa es usar un circuito de alimentación y controlador separado por medio del concepto de fuente Kelvin e integrar un diodo clamping. Ubicado entre la puerta y la fuente del interruptor, un diodo clamping reduce la tensión negativa presente en la puerta.

Carga de recuperación inversa Q_rr

Especialmente con topologías o diseños resonantes que usan una conmutación dura continua del diodo del cuerpo del conductor, resulta fundamental considerar la carga de recuperación inversa Q_rr. Se trata de la carga que debe eliminarse del diodo del cuerpo integrado—presente en todos los diodos—cuando el diodo ya no es conductor. Varios fabricantes de componentes han realizado grandes esfuerzos para reducir esta carga lo máximo posible. La familia “Fast Diode CoolMOS” de Infineon es un ejemplo de los frutos de dichos esfuerzos. Estos modelos se caracterizan por diodos de cuerpo más rápidos y pueden disminuir la Q_rr en un factor de 10 en comparación con sus predecesores. La familia  CoolSiC de Infineon incluso ofrece más que esto—con respecto a los últimos componentes CoolMOS, estos MOSFET de SiC logran una mejora adicional de diez veces.

La tecnología CoolSiC respalda el desarrollo de sistemas con menor cantidad de componentes y elementos magnéticos y disipadores de calor de menores dimensiones, siendo más sencillos, compactos y asequibles. Gracias a la Trench Technology, estos componentes también garantizan unas mínimas pérdidas en el uso y la máxima fiabilidad en  la operación.

Corrección de factor de potencia (PFC)

Actualmente, el foco de la industria está puesto en aumentar la eficiencia del sistema. Para lograr valores de eficiencia de, al menos, el 98 por ciento, se están dirigiendo más esfuerzos hacia la corrección del factor de potencia (PFC). Los MOSFET basados en SiC con Q_rr mejorada ayudan a conseguir el objetivo. Estos modelos ahora posibilitan topologías de medio puente/puente completo (half–bridge/full–bridge) conmutadas duras para PFC. Para su tecnología CoolMOS, Infineon había recomendado previamente un enfoque de “modo de corriente triangular”, pero con el SiC es posible implementar una PFC de polo de tótem de modo de conducción continua.

Capacidad de salida C_OSS

En una topología conmutada dura, se debe disipar la energía almacenada E_OSS; esta energía es típicamente superior a la de la última versión CoolMOS. No obstante, en comparación con las pérdidas de activación de una PFC de polo de tótem, todavía permanece relativamente baja y, por lo tanto, casi inapreciable, al menos inicialmente. La menor capacitancia implica que es posible beneficiarse de velocidades de conmutación más rápidas, pero esto también puede llevar a que la fuente de drenaje se sobrepase (VDS) durante la activación.

Con los MOSFET basados en Si, esto se puede compensar mediante el uso de una resistencia de puerta externa para disminuir las velocidades de conmutación y conseguir la limitación de tensión requerida del 80 por ciento de la fuente de drenaje. La desventaja de esta solución es que, especialmente durante la activación, el aumento de la corriente provoca un incremento de las pérdidas de conmutación.

Aunque la capacitancia de salida con los MOSFET basados en SiC es mayor que con los semiconductores de potencia basados en Si a través de una tensión de fuente de drenaje de 50 V, la relación C_OSS/V_DS es mucho más lineal. La consecuencia de esto es que los MOSFET basados en SiC posibilitan el uso de una resistencia externa de menor tamaño en el mismo circuito con respecto a los modelos basados en Si, sin superar la máxima tensión de fuente de drenaje. Esto puede ser una ventaja en algunas de topologías de circuito como, por ejemplo, en convertidores DC/DC resonantes LLC, donde es posible omitir la resistencia de puerta adicional.

Conclusión

A pesar de que la tecnología de carburo de silicio tiene muchas ventajas, la obsolescencia de los MOSFET basados en Si de ninguna manera es un hecho. Esto se debe, en parte, al umbral de tensión mucho mayor del diodo del cuerpo—mediante la simple sustitución de un MOSFET basado en Si por un modelo basado en SiC se conseguiría cuadruplicar la pérdida de potencia en el diodo del cuerpo, sacrificando esencialmente las ganancias de eficiencia. Para poder beneficiarse de la eficiencia superior de los MOSFET basados en SiC en la actualidad, la función boost de una PFC debe usarse a través del canal de MOSFET y no en la dirección inversa del diodo del cuerpo. Los tiempos muertos también se tienen que  optimizar para sacar el máximo partido a los beneficios de los MOSFET basado en SiC.

Los MOSFET basados en SiC tienen menos pérdidas de conductividad y hasta un 80 por ciento de pérdidas de conmutación con respecto a los IGBT—en este caso usando el ejemplo del MOSFET CoolSiC de 650 V de Infineon.

La tecnología Trench minimiza las pérdidas durante el uso y proporciona la máxima fiabilidad durante la operación.

Autores: Hannah Metzner, Product Sales Manager Power de Rutronik, y René Mente, Senior Staff Engineer de la División PSS de Infineon