IGBT y MOSFET de potencia de carburo de silicio

La tecnología igbt de carburo de silicio es muy prometedora para transformar los sistemas de energía aumentando la eficiencia, la fiabilidad y el tamaño. El material de banda prohibida ancha disipa el calor de forma mucho más eficaz y funciona con fiabilidad a temperaturas más elevadas, además de ser capaz de soportar tensiones más altas y ofrecer fiabilidad a temperaturas más elevadas.

Se ideó y utilizó un sistema experimental para medir los tiempos de retardo de encendido y apagado de los interruptores de potencia híbridos Si-IGBT en condiciones de carga RL, y los resultados indican menores pérdidas de energía en los tiempos de conmutación.

Potencia

Los semiconductores de carburo de silicio han encontrado una amplia aplicación en dispositivos electrónicos. Entre ellos destacan los MOSFET de potencia de carburo de silicio, a menudo denominados MOSFET o FET de SiC. Ofrecen importantes ventajas en cuanto a rendimiento energético respecto a sus homólogos de silicio.

La principal ventaja del carburo de silicio sobre el silicio es su mayor intensidad de campo eléctrico de ruptura, lo que permite que los MOSFET fabricados con este material tengan menor resistencia en estado encendido que sus homólogos de silicio, lo que se traduce en menores pérdidas de conmutación, especialmente beneficiosas en diseños de circuitos electrónicos como los convertidores de tensión.

Otra ventaja es que los MOSFET de carburo de silicio pueden fabricarse para funcionar a temperaturas más elevadas que sus homólogos de silicio, lo que permite mayores densidades de corriente, así como velocidades de conexión y desconexión más rápidas, que reducen las pérdidas de conmutación y pueden reducirlas aún más.

Los dispositivos de potencia de carburo de silicio tienen una amplia aplicación en los accionamientos de motores eléctricos. Los MOSFET de carburo de silicio pueden mejorar drásticamente el rendimiento reduciendo las pérdidas de conmutación y aumentando la eficiencia, una de las aplicaciones clave de los MOSFET de carburo de silicio.

A medida que aumenta la demanda de dispositivos electromecánicos como interruptores, solenoides y codificadores en campos como la fabricación avanzada y los vehículos eléctricos, también lo hace su necesidad de convertir señales digitales en acciones físicas. La conversión de potencia desempeña aquí un papel fundamental y los avances en electrónica de potencia pueden tener profundos efectos en la eficiencia, controlabilidad y rendimiento de estos dispositivos.

Un gran avance en la innovación de la conversión de potencia es el uso de MOSFET de carburo de silicio (SiC MOSFET) en lugar de IGBT de silicio (Si IGBT), lo que puede suponer un aumento significativo de su rendimiento al permitir mayores velocidades y un mayor control.

Semikron Danfoss ha desarrollado una selección de módulos de sustitución de carburo de silicio IGBT con carcasas estándar del sector y tecnologías de embalaje avanzadas, para aprovechar al máximo las ventajas que ofrecen estos dispositivos. Uno de estos módulos IGBT, la serie CIPOS Maxi IPM IM828 basada en MOSFET CoolSiC, es un encapsulado TO-247 estándar que incorpora un controlador de puerta SOI de 6 canales optimizado y seis MOSFET CoolSiC en un encapsulado TO-247 para crear una inductancia de conmutación de módulo baja que permite aprovechar al máximo las ventajas de la reducción de la resistencia en estado encendido y las pérdidas por conmutación.

Eficacia

El carburo de silicio es muy superior al silicio en términos de eficiencia de conversión de potencia. Esto se debe al hecho de que disipa mucho mejor el calor y puede soportar tensiones más altas que los componentes tradicionales de silicio, lo que resulta ideal para aplicaciones de potencia de alto rendimiento como la tracción ferroviaria. Además, la mayor durabilidad del carburo de silicio lo hace idóneo para sistemas de alta tensión como la tracción ferroviaria.

El carburo de silicio no sólo aumenta la eficiencia, sino que también ofrece ventajas adicionales. Entre ellas se incluyen menores pérdidas de conmutación, componentes de filtro magnético más pequeños y mayor fiabilidad, lo que ayuda a los diseñadores a reducir el tamaño y el peso del sistema, así como los costes de mantenimiento y funcionamiento. Además, la alta densidad de potencia del carburo de silicio es perfecta para sistemas de alimentación de media tensión, lo que reduce aún más las necesidades de espacio y los costes.

Los MOSFET de SiC son ideales para topologías de conmutación dura y resonante, y pueden controlarse igual que los IGBT o los MOSFET de potencia estándar con controladores fáciles de usar. Además, esta tecnología ofrece la máxima eficiencia a frecuencias de conmutación que permiten reducir el tamaño del sistema y aumentar la densidad de potencia.

Los IGBT de carburo de silicio pueden optimizarse seleccionando un circuito de accionamiento de puerta adecuado que minimice los efectos parásitos durante las operaciones de encendido/apagado y las pérdidas de potencia asociadas a la propia conmutación; también son importantes factores como la inductancia de dispersión de los accionamientos de puerta, así como las pérdidas de potencia asociadas a los interruptores, ya que estos factores podrían cambiar drásticamente el rendimiento del dispositivo.

Los MOSFET de carburo de silicio (SiC) proporcionan una resistencia a la ruptura crítica superior, una frecuencia de conmutación más alta y una pérdida de conmutación reducida que sus homólogos IGBT. Además, estos dispositivos más robustos funcionan a temperaturas más bajas para reducir el tamaño, el peso y los costes del sistema, además de ser más rentables debido a su funcionamiento a temperaturas más bajas y a su mayor robustez frente a los eventos transitorios habituales en los sistemas de alimentación de media tensión.

Los módulos de potencia Gen3 3300 V Bare Die SiC MOSFET de Wolfspeed están diseñados específicamente para cumplir estas estrictas normas, y ofrecen un rendimiento superior tanto a nivel de chip como de módulo. Su baja inductancia de conmutación los hace adecuados incluso para las aplicaciones de convertidores de potencia más exigentes que se encuentran en trenes y tranvías, además de proporcionar optimizaciones de embalaje diseñadas para minimizar la resistencia térmica entre el chip y el disipador de calor, aumentando así las densidades de densidad de potencia a la vez que se optimiza la eficiencia del sistema.

Conmutación

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor avanzado que se utiliza para fabricar dispositivos de potencia. Los dispositivos de SiC pueden encontrarse en diversas aplicaciones, desde inversores y motores hasta el suministro de energía en la red eléctrica. Los chips de SiC ofrecen tiempos de conmutación superiores a los de los dispositivos tradicionales de silicio, lo que los hace idóneos para aplicaciones de conversión de potencia, como la conmutación más rápida durante los procesos de conversión de energía.

Los dispositivos de potencia de SiC pueden manejar corrientes más altas que los MOSFET de silicio al tiempo que se integran en encapsulados más pequeños, además de ser más duraderos, resistentes a altas temperaturas y poseer pérdidas de conmutación mucho menores que sus homólogos de silicio.

Los dispositivos de potencia de SiC ofrecen muchas ventajas que los hacen ideales para aplicaciones que van desde los inversores de CA conectados a la red y los sistemas de prueba de impulsos monofásicos (SPT) hasta los inversores trifásicos y los IGBT de sustitución en convertidores de potencia existentes, incluida la reducción de las pérdidas de potencia y la mejora de la fiabilidad.

En este experimento, se compararon tres módulos de potencia SiC-IGBT con módulos de potencia IGBT tradicionales para comparar su rendimiento. Los resultados de la comparación demostraron que los módulos SiC-IGBT presentaban pérdidas de conmutación significativamente menores y una mayor eficiencia, así como un menor tiempo de retardo al encendido y un menor sobreimpulso negativo que los IGBT.

Los módulos de potencia SiC-IGBT se sometieron a pruebas de carga con resistencias de 42 ohmios (RL = 42 ohmios, L = 290uH), que incluyeron mediciones de la duración del giro (tiempo de subida y de bajada), de la corriente de rebasamiento y de la tensión, así como de la resistencia de colector a emisor Rceon, que se midió utilizando un osciloscopio multifunción portátil de MICsig, mientras que la tensión de puerta a emisor y su tensión de rebasamiento se obtuvieron mediante pinzas amperimétricas Hantek.

Los dispositivos de potencia SiC-IGBT utilizados en este experimento tenían tiempos de subida inferiores a 261 nanosegundos y tiempos de bajada de unos 617 nanosegundos, junto con bajos niveles de corriente de sobreimpulso y pequeñas pérdidas negativas de sobreimpulso que reducían las pérdidas de conmutación en general. Además, los módulos SiC-IGBT demostraron ser más eficientes energéticamente que los IGBT cuando funcionaban con cargas RL, debido a las menores resistencias y corrientes entre la puerta y el emisor que sus homólogos IGBT.

Transistores

Los transistores de carburo de silicio ofrecen claras ventajas sobre sus homólogos de silicio debido a sus propiedades de banda prohibida más amplia. Los transistores de SiC pueden conmutar a frecuencias mucho más altas con una pérdida de conmutación reducida para un diseño de circuito energéticamente eficiente con una menor disipación de calor y un mejor rendimiento térmico, lo que permite diseños de circuitos más pequeños con un mayor ahorro de energía y un mejor rendimiento térmico.

Esto permite utilizar una mayor capacitancia de puerta, aumentando la densidad de potencia. Además, los tiempos de conexión/desconexión más rápidos reducen las pérdidas, mejorando aún más la eficiencia al disminuir la resistencia colector-emisor (Rceon).

El SiC-IGBT de canal p también es ideal para topologías de conmutación dura y resonante, como LLC y ZVS, que requieren altas capacidades de voltaje de bloqueo, con controladores existentes que lo conducen fácilmente y altas frecuencias de conmutación que se manejan con facilidad, lo que resulta en componentes periféricos más pequeños, mayor densidad de potencia y fiabilidad mejorada.

Para demostrar la superioridad de los SiC-IGBT, se compararon con dispositivos de silicio convencionales en un sistema basado en AGPU. Se realizaron experimentos monofásicos y trifásicos para examinar su rendimiento operativo.

Durante este experimento, se observó que los SiC-IGBT mostraban un sobreimpulso negativo significativamente menor que sus homólogos de silicio, junto con un tiempo de conmutación puerta-emisor más corto con sobreimpulso y timbre reducidos; y menores pérdidas de potencia de conducción.

Estas características hacen del SiC-IGBT un excelente sustituto de los dispositivos de silicio en los actuales sistemas de alimentación basados en AGPU, aunque sus limitaciones físicas podrían limitar todo su potencial en esta aplicación.

Los dispositivos del futuro deberán ofrecer mayor rendimiento y eficiencia, aunque los actuales ya presumen de altos niveles de ambas características. Las aplicaciones actuales de esta tecnología incluyen la carga de baterías para vehículos eléctricos, la conversión de energía solar en corriente continua y la optimización de la eficiencia energética de servidores. Esto se consigue utilizando procesos de fabricación avanzados que crean MOSFET de SiC con baja parasítica, al tiempo que ofrecen características como alta capacidad de corriente, baja resistencia de encendido y alta corriente de accionamiento de puerta; lo que permite mejorar la densidad de potencia con menores costes globales del sistema.