Robustez y fiabilidad: un viaje más allá de la hoja de datos

El transporte afecta a la vida de las personas todos los días, trasladando personas y mercancías de un punto a otro. Los trenes, en particular, están sometidos a diversos sistemas meteorológicos que pueden influir en la electrónica utilizada en ellos. Por ello, es importante que los desarrolladores de sistemas de transporte tengan en cuenta parámetros que no se suelen presentar en las hojas de datos. Esto es aún más importante en el caso de la electrónica de potencia de banda ancha, como el carburo de silicio (SiC), que es un material novedoso en este tipo de aplicaciones.

Los dispositivos de potencia de SiC de Microchip Technology son resistentes, robustos y aptos para aplicaciones exigentes dentro del segmento del transporte. Una sólida cartera de opciones de encapsulado estándar y personalizado ofrece a los clientes flexibilidad en el diseño. Los controladores de puerta digitales programables, disponibles como controladores plug-and-play de placa de circuito impreso (PCB) o controladores de núcleo, proporcionan a los ingenieros herramientas para optimizar el rendimiento del sistema y ajustarlo a la aplicación con mínimas modificaciones de hardware.

La resistencia de los MOSFET de SiC en una amplia gama de condiciones es esencial para las unidades de potencia auxiliares (APU) que alimentan tanto cargas convencionales como de emergencia. Se debe verificar lo siguiente 1) la estabilidad y la vida útil del óxido de la puerta del MOSFET; 2) la estabilidad del diodo del cuerpo del MOSFET; y 3) las medidas de resistencia a los fallos, como la resistencia a avalancha.

Estabilidad y vida útil del óxido de la puerta del MOSFET

Para garantizar el funcionamiento estable del convertidor de potencia, los dispositivos de potencia deben tener un desplazamiento mínimo de la tensión límite y un rendimiento fiable del dispositivo durante toda la vida útil del convertidor. La figura 1 muestra cómo los datos de Vth de los MOSFET de SiC de grado de producción no deben mostrar ningún cambio significativo después de 1.000 hs de tensión a 175 °C.

La vida útil del óxido de la puerta puede predecirse acelerando las muestras hasta el fallo utilizando una temperatura y un campo eléctrico elevados. El óxido de la puerta de un MOSFET de SiC de calidad de producción puede durar más de 100 años a alta tensión, lo que garantiza la confianza en un funcionamiento rutinario y fiable de la APU más allá de la vida útil diseñada.

Estabilidad del diodo de cuerpo

Un MOSFET de SiC puede conducir la corriente inversa utilizando su diodo de cuerpo intrínseco. En comparación con una solución de transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), el uso de un MOSFET de SiC con un diodo de cuerpo estable mejora la fiabilidad y reduce el coste al eliminar el diodo antiparalelo. Sin embargo, la fiabilidad del diodo de cuerpo varía mucho entre los distintos proveedores. En algunos dispositivos, este diodo se degrada con el tiempo, lo que provoca un aumento del RDS encendido y más calor del diseñado. La figura 2 (izquierda) muestra las curvas I-V del diodo de cuerpo y la resistencia de drenaje-fuente del MOSFET en estado ON (RDSon) después de muchas horas de tensión de corriente directa constante. Los dispositivos de microchip sometidos a prueba no muestran ningún cambio perceptible.

Resistencia a la avalancha

Las APUs de transporte son susceptibles de sufrir una gran variedad de fallos, lo que exige que los MOSFETs de SiC estén diseñados para funcionar de forma segura y fiable durante estos eventos, y para mantener un rendimiento constante antes y después de los fallos. La resistencia a la avalancha es una de las exigencias clave. La causa de la avalancha de un dispositivo de potencia puede ser, muy a menudo, la conmutación por inducción sin pinzamiento. La corriente de carga se vierte repentinamente en el MOSFET, obligando a la tensión de drenaje-fuente a elevarse hasta la ruptura. A diferencia del cortocircuito, los canales del MOS no se potencian; la corriente de avalancha desborda el límite de la pastilla, llevando rápidamente al dispositivo a sus limitaciones térmicas.

El fenómeno de avalancha es grave para los semiconductores de potencia debido a la posible degradación de la vida útil debido a la tensión eléctrica y al sobrecalentamiento. La conmutación inductiva repetitiva sin sujeción (R-UIS) se utiliza para evaluar la resistencia a la avalancha de un dispositivo. La figura 2 (derecha) muestra la ruptura dieléctrica en función del tiempo (TDDB) de los MOSFET de SiC comerciales antes y después de 100.000 ciclos de R-UIS. Muchos proveedores mantienen la resistencia del óxido, pero la capacidad de los MOSFET de SiC de Microchip, con una resistencia hasta cuatro veces mayor, junto con la estabilidad en RDSon y la fuga de fuente de drenaje, refuerza la capacidad de los MOSFET de SiC para superar con seguridad las condiciones de sobrecarga eléctrica más exigentes.

Demanda de controladores de puerta inteligentes

Dado que un controlador de puerta representa una interfaz (muy a menudo aislada galvánicamente) entre los lados de alta y baja tensión y, además, un control de puerta fiable, supervisión y muchas otras características de seguridad, en cualquier condición y/o circunstancia es uno de los subsistemas más importantes desde el punto de vista del rendimiento y la fiabilidad. En condiciones normales de funcionamiento, el controlador de puerta sigue las órdenes del controlador principal para encender o apagar un semiconductor de potencia. Los convertidores requieren controladores de puerta con tiempo muerto ajustable, de forma que el controlador de puerta proporcione suficiente tiempo (tiempo muerto) para recuperar la capacidad de bloqueo del dispositivo que se está apagando. La tensión que se aplica a la puerta para encender el interruptor semiconductor de potencia afecta a la Rds(on) y, por tanto, es otro parámetro importante para minimizar las pérdidas de conducción.

Por último, las resistencias de puerta definen la velocidad de los transitorios de conmutación y, por tanto, el tiempo que tarda el semiconductor de potencia en encenderse o apagarse. Los diseñadores suelen optimizar estos parámetros en función de diversos requisitos. La fiabilidad también significa proteger el convertidor de los fallos, que pueden ser, en el peor de los casos, destructivos. Simplemente, se pueden asignar muchos parámetros y características a los convertidores de puerta que sugieren la pregunta, ¿podemos tener convertidores fiables que se puedan configurar por software como en la Figura 3 (derecha) en lugar de por hardware? La familia de controladores de puerta digitales programables de Microchip, como el que se muestra en la figura 3 (izquierda), ofrece a los diseñadores total flexibilidad para ajustar los parámetros según su aplicación, perfil de carga u otros requisitos específicos.

Además, ofrecen retroalimentación de fallos, que puede ser útil en el diagnóstico de los mismos. Además, la familia de controladores de puerta digitales de Microchip ofrece una medición básica de la tensión de unión de CC y de la temperatura. Los cortocircuitos en los convertidores de potencia pueden resultar destructivos si no se gestionan adecuadamente. La protección a través de la conmutación aumentada patentada por Microchip limita la corriente de fallo detectando el fallo antes y limita la sobretensión gestionando el apagado a través de una tensión de conducción de puerta de varios pasos.

El SiC proporciona innumerables ventajas en la tracción ferroviaria. El SiC de Microchip va mucho más allá de la hoja de datos al cumplir los exigentes requisitos de las aplicaciones de tracción ferroviaria.