Cómo aprovechar todas las ventajas de los módulos de alimentación de carburo de silicio

Tradicionalmente, el silicio ha sido el material preferido para los semiconductores de potencia, pero recientemente el carburo de silicio (SiC) se ha revelado como un material alternativo que ofrece mejores prestaciones en aplicaciones de alta temperatura y alta tensión.

Los módulos de potencia de SiC presentan frecuencias de conmutación más altas con pérdidas reducidas para componentes de filtro pasivo más compactos, proporcionando así una mayor densidad de potencia en los sistemas a costes reducidos.

Conmutación rápida

Los semiconductores de potencia de carburo de silicio (SiC) de banda ancha podrían revolucionar el mercado de los módulos de potencia con velocidades de conmutación más rápidas, menores pérdidas y menos interferencias electromagnéticas (EMI). Pero para aprovechar al máximo las ventajas de los módulos de SiC es necesario adoptar un enfoque adecuado a la hora de diseñarlos y ensamblarlos. A continuación se exponen algunas de las mejores prácticas que pueden ayudar a los desarrolladores a superar cualquier obstáculo y aprovechar todas sus ventajas.

Los transistores de potencia de SiC de alta velocidad tienen el potencial de reducir la tensión del sistema hasta en 50% al tiempo que ofrecen un rendimiento armónico superior, lo que permite a los diseñadores utilizar componentes pasivos más pequeños y aumentar la densidad de potencia. La inductancia de conmutación sigue siendo uno de los principales retos asociados a los dispositivos de SiC; para mitigarla, los diseñadores pueden querer incorporar MOSFET de SiC en paquetes con una inductancia parásita mínima.

La plataforma de módulos de alimentación SEMITOP E1/E2 incorpora las últimas generaciones de chips en diversas topologías, como sixpack, half-bridge y H-bridge. Su distribución de patillas está optimizada para facilitar el diseño de placas de circuito impreso y la conexión en paralelo de varios módulos de alimentación simultáneamente, y presenta un coeficiente de temperatura RDS(on) específico extremadamente bajo que permite velocidades de funcionamiento rápidas.

Los módulos de potencia de carburo de silicio son una opción excelente para aplicaciones que requieren una mayor densidad de potencia, fiabilidad y velocidades de conmutación más rápidas. Su amplio rango de temperaturas y su alta eficiencia los convierten en una opción atractiva tanto para accionamientos de motores como para cargadores de baterías; además, pueden soportar grandes picos de corriente al tiempo que ofrecen un comportamiento térmico superior en comparación con los semiconductores de potencia de silicio convencionales, lo que supone un importante ahorro de costes.

A pesar de sus muchas ventajas, la conmutación de alta velocidad sigue presentando varios obstáculos para su adopción generalizada en aplicaciones industriales. Entre ellos se encuentran la dificultad para probar y medir con precisión los interruptores; las parásitas de los circuitos, que pueden provocar picos de tensión; el incumplimiento de la normativa sobre interferencias electromagnéticas; así como la gran complejidad de los requisitos de diseño e integración de las etapas de potencia. Afortunadamente, existen varias prácticas recomendadas que pueden superar estos problemas y liberar todo el potencial de la tecnología SiC en aplicaciones de alta velocidad.

La plataforma de módulos de potencia LM de Wolfspeed aprovecha las ventajas del carburo de silicio en aplicaciones exigentes de densidad de potencia, como cargadores de vehículos eléctricos y SAI industriales, como su innovador paquete modular de 62 mm que combina semiconductores de conmutación de SiC con una placa base estándar del sector para producir un funcionamiento a 175 ºC de temperatura de unión continua y cuenta con un fiable sustrato de potencia Si3N4 para garantizar la robustez mecánica frente a entornos adversos, además de una placa base de AlSiC con una resistencia térmica de unión a fluido extremadamente baja de 0.15degC/W por posición del interruptor para un rendimiento máximo de resistencia térmica y durabilidad mecánica en condiciones adversas.

Alta densidad de potencia

Las transmisiones de tracción representan gran parte de la producción de energía de un vehículo eléctrico (VE), por lo que deben funcionar con la máxima eficiencia y ocupar el mínimo espacio para minimizar el peso. Además, para maximizar la autonomía deben generar una elevada potencia de salida en espacios reducidos; para ello se necesitan inversores que conviertan la potencia con frecuencias de conmutación más altas y pérdidas reducidas que los IGBT de silicio tradicionales.

El carburo de silicio de banda ancha (WBG SiC) es el material óptimo para alcanzar estos objetivos de rendimiento. En comparación con los dispositivos de silicio convencionales, los dispositivos de carburo de silicio WBG pueden funcionar a temperaturas y tensiones más elevadas sin incurrir en pérdidas de conmutación como ocurre con los dispositivos de silicio; además, presenta menores pérdidas de conmutación que el silicio, lo que permite frecuencias de conmutación más elevadas que, en última instancia, aumentan la eficiencia y la densidad de potencia.

Por ello, los diseñadores de sistemas de conversión de potencia confían cada vez más en los dispositivos de carburo de silicio (SiC). Sus ventajas son enormes; sin embargo, el uso de SiC puede presentar sus propios retos; por ejemplo, sus elevados niveles de temperatura y potencia pueden someter a las juntas de soldadura a tensiones indebidas que reducen considerablemente la capacidad de ciclo de potencia. Vincotech ha respondido creando una innovadora tecnología de soldadura de chips que mitiga estas tensiones para mejorar la capacidad de ciclo de potencia de los módulos de SiC.

Los módulos de SiC presentan una conductividad térmica superior a la de otros dispositivos, lo que permite a los diseñadores reducir el tamaño de los componentes de los filtros pasivos para lograr una mayor densidad de potencia y, al mismo tiempo, disminuir las necesidades de disipación térmica, reduciendo así los costes generales del sistema.

El SiC también puede ayudar a reducir el peso y el tamaño de los convertidores de potencia gracias a su huella mucho más pequeña que los dispositivos de silicio tradicionales, lo que ayuda a mejorar la eficiencia y la fiabilidad del sistema al tiempo que reduce el peso y el tamaño.

Sea cual sea la aplicación, los fabricantes de convertidores de potencia deben asegurarse de que sus módulos cumplen los exigentes criterios de rendimiento. Esto incluye alcanzar una alta frecuencia de conmutación y una baja inductancia de dispersión, elementos esenciales para mantener las rápidas velocidades de flanco necesarias para un rendimiento óptimo. Afortunadamente, los módulos de potencia de 3,3 kV totalmente de SiC de Wolfspeed cumplen estas estrictas normas gracias a las ventajas de la compartición de corriente y el controlador de puerta líderes del sector.

Alta eficacia

Los semiconductores de potencia de SiC de banda ancha presentan pérdidas significativamente reducidas en comparación con sus homólogos de silicio, lo que permite frecuencias de conmutación más altas y componentes pasivos más pequeños. Además, el SiC puede soportar temperaturas extremas sin perder sus prestaciones con el paso del tiempo.

Estos factores permiten a los diseñadores construir sistemas de conversión de energía más eficientes, compactos y rentables utilizando módulos de SiC. Su construcción ligera y flexible ha permitido ahorrar 20% de peso en los inversores de tracción de los vagones de tren utilizados en el sistema ferroviario japonés Shinkansen.

El material más fino del SiC también reduce la inductancia de conmutación, lo que permite velocidades de conmutación más rápidas que se traducen en componentes de filtro magnético de menor tamaño y mayor densidad de potencia. Una frecuencia de conmutación más alta también reduce la tensión de ondulación para bucles de realimentación más cortos con niveles de EMI reducidos; su pérdida de conmutación reducida reduce aún más las pérdidas de potencia al tiempo que aumenta la estabilidad de la temperatura.

Wolfspeed ofrece una amplia cartera de módulos de carburo de silicio para satisfacer los requisitos de diversas aplicaciones, incluidos módulos de corrección del factor de potencia CA-CC, módulos CC-CC buck/boost, módulos CA-CC bidireccionales y módulos CC-CC de alta frecuencia que ayudarán a los diseñadores a aprovechar sus ventajas. La cartera de Wolfspeed también incluye diseños de referencia y kits de herramientas de evaluación para ayudar en el proceso de diseño.

El SiC es una opción atractiva, pero para aprovechar todo su potencial energético es necesario tener en cuenta ciertas propiedades mecánicas. Estos retos incluyen el estrés térmico, las altas temperaturas de funcionamiento y la capacidad limitada de ciclos de potencia; sin embargo, la tecnología avanzada de fijación de troqueles de Vincotech ofrece soluciones para superar estas dificultades al aliviar la tensión de las uniones soldadas, el eslabón débil de los módulos de potencia de SiC.

La tecnología de la empresa utiliza una aleación de soldadura patentada para garantizar que los módulos de potencia puedan soportar tensiones térmicas a largo plazo sin dañar las obleas de silicio, aumentando así la vida útil de los ciclos y disminuyendo el riesgo de fallos en las exigentes aplicaciones de fuentes de alimentación médicas. Además, esta avanzada tecnología refuerza la unión entre los chips de SiC y los sustratos metálicos, lo que aumenta aún más la capacidad de ciclado de los chips de SiC.

Robustez

El carburo de silicio (SiC), como material semiconductor de banda prohibida ancha, puede ofrecer numerosas ventajas en aplicaciones de conversión de potencia. Entre ellas se encuentran la mejora de la eficiencia, la reducción de los costes y el menor tamaño, aunque para aprovechar estas ventajas potenciales es necesario superar varios obstáculos técnicos de diseño.

Los módulos de potencia de SiC presentan un reto adicional cuando se trata de aumentar su capacidad de ciclos de potencia. Las pruebas de ciclos de potencia simulan situaciones reales que someten a tensión los mecanismos internos y los materiales de los dispositivos. Para realizar estas pruebas, una máquina de pruebas de corriente alterna aplica corriente alterna de alto voltaje a los dispositivos, lo que provoca fenómenos de disipación que aumentan la temperatura de forma significativa; las temperaturas más altas requieren mayores cantidades de energía para que pasen del estado de bloqueo al de conducción.

El aumento de la energía de conmutación conduce a la producción de calor, lo que acorta la vida útil del dispositivo y aumenta el riesgo de cortocircuito o rotura por avalancha. En tales condiciones, pueden producirse fallos de SC o ruptura por avalancha, lo que hace que estos dispositivos dejen de funcionar y, en última instancia, fallen por completo.

Las soluciones tradicionales han incluido la adición de componentes adicionales en los circuitos para proteger los dispositivos, pero esto aumenta el coste total y la complejidad de los convertidores de potencia. Por ello, Danfoss ha desarrollado una nueva e innovadora tecnología de unión conocida como Bond Buffer que resuelve eficazmente estos problemas.

Esta técnica patentada utiliza la unión de hilos de cobre y la unión de matrices sinterizadas para sustituir las soldaduras en los módulos, lo que les permite funcionar a temperaturas de unión máximas más altas sin degradar la corriente, además de mejorar la fiabilidad y ampliar la capacidad de ciclos de potencia.

La plataforma de módulos SiC de Vincotech aúna la velocidad y eficiencia de los MOSFET de carburo de silicio con el encapsulado estándar industrial de 62 mm para ofrecer el máximo beneficio al usuario en aplicaciones de baja inductancia como accionamientos de motores industriales, cargadores de vehículos eléctricos o aplicaciones alimentadas por baterías.

Los módulos de SiC de Vincotech demostraron una capacidad superior de ciclos de potencia en comparación con las ofertas de la competencia que utilizan aleación de soldadura convencional. Esta mejora puede atribuirse a su mayor capacidad para absorber y disipar la energía térmica de forma eficiente.