Ventajas de los MOSFET de carburo de silicio

Los dispositivos semiconductores de potencia de banda prohibida ancha, como los MOSFET de carburo de silicio, se han convertido en un componente cada vez más popular en los diseños de circuitos electrónicos, ya que sus prestaciones superiores a las de los semiconductores de potencia convencionales basados en silicio los convierten en soluciones atractivas.

Los MOSFET constan de tres terminales denominados fuente, drenaje y puerta. La aplicación de una tensión positiva a la puerta crea un campo eléctrico que permite que la corriente fluya entre la fuente y el drenaje para encender el dispositivo.

Baja resistencia en estado activado

Los MOSFET de carburo de silicio presentan una menor resistencia en estado encendido que sus homólogos de silicio, lo que permite frecuencias de conmutación más altas y menores pérdidas de conmutación, lo que se traduce en una mayor eficiencia del sistema en sistemas como la conversión de red o el uso de vehículos eléctricos. La conmutación a alta velocidad en estos sistemas ayuda a reducir el tamaño de los elementos magnéticos y, a su vez, disminuye el tamaño, el peso y los costes del sistema.

El RDS(ON) de un MOSFET mide su flujo de corriente cuando no está conectado o desconectado. Se puede calcular como la inversa de su caída de tensión a través de él; o más concretamente RUT = GDS / TR.

Los MOSFET de carburo de silicio poseen todos estos atributos para una baja resistencia en estado encendido, lo que los convierte en la opción ideal para los circuitos electrónicos de potencia.

Los MOSFET de carburo de silicio presentan la ventaja añadida de tener resistencias en estado encendido menos susceptibles a las fluctuaciones debidas a la temperatura que sus homólogos de silicio, lo que permite rangos de temperatura de funcionamiento más amplios en los sistemas electrónicos y elimina la necesidad de complejas soluciones de refrigeración para mantener los niveles de rendimiento.

Los MOSFET de SiC presentan una resistencia a la ruptura crítica 10 veces superior a la de los dispositivos de silicio normales, lo que permite frecuencias de conmutación más altas que posibilitan elementos magnéticos más pequeños y una reducción del peso/coste del sistema.

El diseño de sistemas que utilicen MOSFET de SiC requiere una cuidadosa consideración para cumplir su frecuencia de conmutación máxima, ya que cualquier incremento puede aumentar el ruido y los anillos del bus de CC, lo que hace necesarios mecanismos más sofisticados de filtrado de EMI y gestión de fallos.

Los MOSFET de carburo de silicio de ST presentan una gama de tensiones ampliada de 650 V a 2200 V y ofrecen un extraordinario rendimiento de conmutación y una resistencia de estado activado por área extremadamente baja, lo que permite a los diseñadores crear sistemas más compactos y eficientes desde el punto de vista energético. Además, sus temperaturas nominales de hasta 200 ºC los hacen idóneos para aplicaciones exigentes como cargadores bidireccionales a bordo para vehículos eléctricos/híbridos o generación de energía renovable.

Avería de alta tensión

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor no convencional con potencial para aumentar la eficiencia energética y ahorrar costes en diversas aplicaciones, desde automóviles y electrónica de consumo hasta TI. El carburo de silicio puede funcionar a temperaturas más elevadas y, al mismo tiempo, conmutar más rápidamente con una resistencia a la conexión considerablemente menor que las alternativas basadas en Si.

El SiC es un material semiconductor de tipo p, mientras que el silicio tiene una estructura de unión p-n con una capa n muy dopada para formar una barrera de potencial negativo e impedir el paso de electrones (ruptura Zener). Debido al mayor bandgap del SiC, sus diodos pueden tener capas n mucho más finas sin comprometer la intensidad crítica del campo eléctrico (como indica el triángulo rojo de la Figura 2). Por lo tanto, los MOSFET con MOSFET de SiC pueden ofrecer menores resistencias en estado encendido y mayores velocidades de conmutación a niveles de tensión similares.

Los MOSFET de SiC pueden presumir de densidades de corriente mucho mayores que sus homólogos de silicio gracias a un grosor de óxido de puerta significativamente menor y una mayor longitud de canal, lo que les permite transportar más corriente a menor tensión, lo que a su vez disminuye las pérdidas y la disipación por conmutación.

Los MOSFET de SiC también se benefician de poder soportar temperaturas más elevadas, lo que les permite mejorar su rendimiento al aumentar la tensión de funcionamiento y disminuir la resistencia en estado encendido, y funcionar a velocidades de conmutación más rápidas, lo que puede resultar ventajoso en aplicaciones como fuentes de alimentación y convertidores de alta tensión.

El uso del carburo de silicio en la fabricación de MOSFET se debe a sus propiedades eléctricas superiores a las del silicio, que lo hacen más adecuado para muchos circuitos electrónicos modernos. El sustrato de SiC ofrece ventajas significativas en términos de densidad de potencia por tamaño de chip, frecuencia de conmutación y fiabilidad del ciclo de vida.

Los MOSFET de carburo de silicio pueden permitir frecuencias de conmutación más altas y, al mismo tiempo, producir mayores densidades de corriente y resistencias de conexión, especialmente cuando se utilizan en topologías de conmutación duras o resonantes como LLC y ZVS. Para ello, se necesitan controladores que generen la tensión de conexión adecuada y proporcionen un control rápido y estable similar al de un tiristor. On Semiconductor ha abordado esta cuestión desarrollando un controlador para MOSFET de carburo de silicio de alto voltaje compatible con los controladores IGBT o MOSFET habituales.

Alta densidad de corriente

El carburo de silicio ofrece una movilidad de electrones mucho mayor que el silicio, lo que le permite acomodar una mayor corriente en un espacio más corto y, por tanto, ofrecer una menor resistencia a la conexión para aplicaciones de potencia con altas frecuencias de conmutación. Además, la banda prohibida más ancha del SiC permite regiones de agotamiento más delgadas que reducen las pérdidas de conmutación, reduciendo aún más las pérdidas de conducción y conmutación en comparación con los semiconductores de potencia tradicionales basados en silicio, lo que permite a los diseñadores crear sistemas más pequeños sin dejar de cumplir los objetivos de rendimiento y fiabilidad de los diseños existentes.

Los MOSFET de carburo de silicio Gen3 3300 V de Wolfspeed están proporcionando sistemas de conversión de potencia más pequeños y rentables al reducir significativamente las pérdidas y los costes del sistema. Su frecuencia de conmutación superior a la de sus homólogos de silicio permite reducir los componentes inductivos y capacitivos, lo que se traduce en una reducción general del tamaño del sistema.

La mejora de la conductividad térmica ayuda a reducir los requisitos de refrigeración, reduciendo aún más el peso y el volumen de los equipos. Las frecuencias de conmutación más altas de nuestros MOSFET de SiC permiten aumentar la densidad energética y admiten diversas topologías de conversión de potencia, como las topologías de conversión de potencia LLC y ZVS de conmutación dura.

Los MOSFET de carburo de silicio de alto rendimiento aportan múltiples ventajas a los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) industriales, inversores solares fotovoltaicos y estaciones de carga de vehículos eléctricos. Sus reducidas pérdidas pueden ahorrar 30% respecto a las soluciones tradicionales de silicio, al tiempo que resultan más fiables y tienen una vida útil más larga.

Los MOSFET de SiC se diferencian de los dispositivos de silicio en que pueden soportar temperaturas más elevadas, lo que los hace idóneos para sistemas de conversión de potencia que funcionan a tensiones elevadas, como inversores de tracción o convertidores CC-CC. Su robustez también les permite funcionar con fiabilidad incluso en entornos difíciles, como altas temperaturas o niveles de humedad.

Sin embargo, debido a sus elevadas frecuencias de conmutación y a las rápidas transiciones entre los estados de encendido y apagado, la validación de los dispositivos de alimentación SiC puede plantear retos únicos a la hora de medir el rendimiento. Si no se miden correctamente, los dispositivos pueden causar zumbidos espurios debido a las rápidas transiciones. En la nueva nota de aplicación de Tektronix sobre Medición eficaz de señales en dispositivos de alimentación SiC se ofrecen consejos para mitigar estos efectos mediante el uso de sondas diferenciales como la THDP0200 para garantizar mediciones precisas de la tensión de origen/drenaje en dispositivos SiC.

Alta eficacia

La eficiencia es de suma importancia en la electrónica de potencia, sobre todo en los niveles de tensión más altos. Los diseños eficientes permiten construir sistemas de menor tamaño y peso y reducir los costes del sistema, ventajas que, en última instancia, se traducen en enormes beneficios para los consumidores finales. Los semiconductores de carburo de silicio (SiC) se encuentran entre los más eficientes del mercado, ya que ofrecen bandas más anchas que el silicio y son más adecuados para su uso a temperaturas, tensiones y frecuencias más elevadas.

El SiC se distingue por una brecha energética más amplia que hace posibles velocidades de conmutación más altas y aumenta significativamente la eficiencia de conversión de potencia. Las menores pérdidas de conmutación también se traducen en una menor disipación de calor en el estado ON del MOSFET, así como en transiciones más rápidas entre los estados ON y OFF, lo que reduce aún más las pérdidas de potencia al tiempo que mejora la fiabilidad.

El funcionamiento a alta velocidad permite el uso de MOSFET más pequeños y con mayor densidad de corriente que pueden empaquetarse juntos en áreas más grandes para facilitar el embalaje, lo que reduce drásticamente el tamaño y el coste totales del sistema del convertidor de potencia.

El SiC es conocido por su mayor movilidad de electrones, lo que le permite superar al silicio a temperaturas similares al ofrecer menores corrientes de accionamiento de puerta, consumo de energía y pérdidas. Además, esto también reduce el tamaño de los elementos magnéticos, lo que mejora significativamente la eficiencia al tiempo que disminuye el tamaño y el coste de los componentes.

La amplia banda prohibida del carburo de silicio permite regiones de agotamiento más finas entre los terminales de fuente y drenaje, lo que se traduce en valores de resistencia de encendido y estabilidad de temperatura más bajos, características ambas que permiten al SiC cumplir los valores RDS(on) de la industria energética con menores requisitos de tensión de alimentación.

Los MOSFET de SiC de 1200 V de primera generación de Nexperia presentan extensiones de unión poco profundas, capacitancia de fuente y drenaje elevada y una relación optimizada entre la carga de puerta a drenaje (QGD) y la carga de puerta a fuente (QGS), lo que les confiere un rendimiento superior de inestabilidad de encendido Miller con el mismo RDS(on). Incluso superan a sus homólogos de silicio al cubrir una gama de temperaturas más amplia y mantener constantes los valores de RDS(on) en variaciones de temperatura mayores.