SiC para el transporte: un manual de diseño

Tomas Krecek, Nitesh Satheesh, Microchip Technology

Introducción

La fiabilidad fue un tema candente que se trató en el número inaugural de la publicación. Se habló de la resistencia a la avalancha y de otros parámetros que no figuran en la hoja de datos. En este número, los autores analizan los requisitos de una unidad de potencia auxiliar de transporte (APU) y exponen las características estáticas y dinámicas ideales del MOSFET de SiC, el diodo y los controladores de puerta.

¿Por qué un «gap» de banda ancha?

Es esencial para cualquier ingeniero de electrónica de potencia tener un conocimiento general de la física de los semiconductores aplicable a los dispositivos de conmutación de semiconductores de potencia, para comprender los fenómenos eléctricos no ideales del dispositivo y sus efectos que afectan a la aplicación objetivo. Un conmutador ideal presenta una resistencia infinita cuando está apagado, una resistencia nula cuando está encendido y cambia instantáneamente entre esos dos estados. Cuantitativamente, lo más parecido a esta definición es un dispositivo de potencia basado en un MOSFET, ya que es unipolar. El flujo de corriente en estado encendido en una estructura MOSFET de potencia se produce por transporte unipolar y significa que sólo los electrones están involucrados en el caso de los dispositivos de canal n. La ausencia de inyección de carrier minoritario permite la desconexión del flujo de corriente inmediatamente después de la reducción de la polarización de puerta por debajo de una determinada tensión de umbral.

Por otro lado, un dispositivo de base bipolar que utiliza la modulación bipolar (electrón-hueco o electron-hole), inyectando huecos en la región de la base, mejora drásticamente la capacidad de conducción. Estos carriers o portadores «extra» inyectados deben ser eliminados al pasar el dispositivo del estado de encendido al de apagado. Esto puede lograrse mediante la eliminación de la carga a través de la corriente de accionamiento de la puerta o a través del proceso de recombinación electrón-hueco. Esta característica inherente a los dispositivos bipolares introduce importantes pérdidas de potencia que degradan el rendimiento de la conmutación. Por lo tanto, los dispositivos unipolares se ajustan mejor a uno de los tres criterios ideales que especificamos anteriormente, es decir, que el conmutador ideal pueda pasar instantáneamente entre los estados ON/OFF.

¿Cómo mejorar los otros dos criterios idealistas?

La corriente eléctrica dentro de un dispositivo semiconductor debe fluir a través de una zona denominada región de deriva (véase la figura 2). La función de esa región es bloquear completamente la tensión nominal en el estado OFF. Un mayor voltaje de bloqueo necesita una mayor longitud de canal, lo que se traduce en una mayor resistencia. Esto indica que el rendimiento de nuestro conmutador de potencia ideal empeora con tensiones nominales más altas.

Si tenemos en cuenta las propiedades del material de Si, las tensiones nominales superiores a 200 V se convierten en un reto debido a que el canal es demasiado largo (hace que el dispositivo sea insostenible eléctrica y económicamente). Los dispositivos bipolares, como los IGBT, son especialmente beneficiosos en este tipo de situaciones (con la contrapartida de la conmutación), o los semiconductores de banda ancha son una alternativa que ofrece la solución técnica con mínimas contrapartidas. La figura 1 destaca las ventajas de una banda de valencia ancha (las partículas no pueden ocupar esta banda). La principal ventaja de un material de «banda ancha» es que es un mejor aislante en el modo de bloqueo (más cercano al aislante de la izquierda) y un muy buen conductor en el modo de conducción (la movilidad de los portadores es alta tanto en el Si como en el SiC).

¿Qué ventajas tiene la brecha (gap) de banda ancha en la aplicación deseada?

Ya se ha explicado que el semiconductor WBG permite fabricar una estructura MOSFET inherentemente rápida para voltajes de bloqueo muy altos. Esto es especialmente práctico para los convertidores DCDC de modo resonante. Las características de salida (Figura 3a) muestran más sobre el rendimiento de conducción de dicho dispositivo. El Si-IGBT se utiliza para la comparación; vemos que en ciertos puntos de cruce, a una corriente cercana a la nominal de ambos dispositivos, el SiC-MOSFET tiene un rendimiento inherentemente mejor (menor caída de tensión). Esto, al final, se traduce en una curva de eficiencia plana y beneficia a cualquier convertidor que funcione predominantemente con cargas ligeras, hasta un nivel ligeramente superior

Figura 3. Tres características eléctricas más importantes que afectan directamente a la elección del conmutador de potencia

a la potencia nominal. Una característica muy interesante de la estructura SiC-MOSFET se encuentra en el tercer cuadrante, a veces llamado cuadrante de rectificación, que se muestra en la Figura 3c. En este modo, el SiC-MOSFET puede funcionar como un diodo o, si encendemos el canal, se abre el dispositivo produciendo una pérdida de conducción extremadamente pequeña. Este conmutador funciona como un conmutador bidireccional con un rendimiento casi idéntico en ambas direcciones.

Desafíos de la conducción de Puerta

Necesidad de tensiones de puerta más altas: Normalmente, las tensiones de umbral de puerta más elevadas para los dispositivos de SiC se deben a su mayor banda prohibida y a los mayores niveles de concentración de la capa de base P (véase la figura 2), principalmente para evitar la ruptura de alcance. Esto supone un reto fundamental para conseguir tensiones de accionamiento de puerta razonables en los MOSFET de potencia de carburo de silicio para abrir completamente el canal. En la figura 3b se muestran las características de transferencia típicas de los MOSFETs de carburo de silicio y de los Si-IGBT. Los lectores observarán una apertura del canal de SiC-MOS ligeramente más «lenta», en la que la Rdson mínima se alcanza a unos 20 V. A partir de aquí, el controlador de puerta debería suministrar constantemente una tensión de puerta de 20V e, idealmente, ser configurable.

Debido a la carga de puerta residual que queda, en las estructuras SiC-MOS la polarización negativa es obligatoria y, de nuevo, ideal si es configurable para su optimización. La combinación de un conmutador de potencia casi ideal y los componentes parásitos del paquete (véase la figura 4) que lo rodean inducen sobretensiones y oscilaciones. La clave es (a) minimizar todos los enlaces de CC externos + las conexiones + las rutas de la puerta y los elementos internos parásitos del paquete del módulo de potencia, incluidas las conexiones de la puerta de tipo Kelvin; (b) utilizar la tecnología SiC-MOS optimizada; y (c) si es posible, emplear una técnica avanzada de conducción de la puerta, como el control de la tensión de la puerta activa (Augmented Switching™), como se muestra en la Figura 4.

Resumen

La combinación superior de los MOSFETs de SiC de conmutación rápida y funcionamiento de alto voltaje lo convierten en un candidato ideal para las fuentes de alimentación auxiliares, especialmente debido a su funcionamiento superior en el tercer cuadrante. Las tecnologías emergentes, como los trenes que funcionan con baterías, lo convierten en una opción aún más atractiva, independientemente de la conmutación suave o dura. El envolvente avanzado para minimizar los parásitos y las técnicas de conducción de puertas digitales pueden extraer cada porción de rendimiento de estas potentes bestias.