Ventajas de utilizar un diodo de carburo de silicio en electrónica de potencia

El carburo de silicio (antiguo carborundo) ha adquirido cada vez más importancia en las aplicaciones de electrónica de potencia, sobre todo en los diodos de barrera Schottky.

Los diodos Schottky de SiC consisten en una unión metal-semiconductor por la que sólo fluyen electrones, en lugar de huecos como en los diodos de unión PN tradicionales.

Estos dispositivos presentan tiempos de recuperación rápidos que permiten utilizar componentes magnéticos y pasivos más pequeños en diseños electrónicos para aumentar la velocidad de conmutación y la eficiencia energética.

Brecha de banda ancha

Los semiconductores de banda ancha son materiales fascinantes con propiedades extraordinarias. Se definen por poseer una banda de energía mucho mayor que la del silicio (Si) estándar, lo que hace que estos materiales puedan revolucionar muchas aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas.

El carburo de silicio es un compuesto innovador formado por átomos de carbono y silicio unidos en una estructura química avanzada que ofrece muchas ventajas al diseño de circuitos electrónicos. Estas ventajas incluyen su amplia y estable banda de potencia, que permite a los diodos soportar tensiones y corrientes más elevadas que los dispositivos tradicionales P-N basados en silicio, además de una eficiente conductividad térmica para una refrigeración eficaz.

Los diodos de SiC ofrecen un rendimiento de conmutación de potencia superior cuando se trata de aplicaciones de conmutación debido a su tiempo de recuperación más rápido. Esto los hace ideales para sistemas de alta velocidad y alta potencia en los que se desea un alto rendimiento al tiempo que se reducen las pérdidas de energía, mejorando los niveles de eficiencia del sistema y disminuyendo los niveles de disipación total.

Un diodo de carburo de silicio utiliza una estructura de barrera Schottky, formada por contactos metálicos -generalmente de platino (Pt) o titanio (Ti)- y finas capas de material semiconductor de SiC de tipo n conectadas con una corriente interna que sólo pasa en una dirección. Bajo polarización directa, estos contactos metálicos actúan como uniones Schottky para permitir que la corriente fluya sólo en una dirección a través de ellos.

Bajo polarización inversa, los diodos de SiC experimentan una descarga de su autocapacidad interna a través de la barrera Schottky que provoca una caída brusca de la tensión en su interfaz metal-semiconductor y, a continuación, conduce a un aumento del campo eléctrico, lo que puede romper su barrera y provocar la rotura del dispositivo.

Nexperia, experto en semiconductores esenciales, se ha introducido recientemente en el mercado de alta tensión de banda prohibida ancha con sus nuevos diodos Schottky de SiC de calidad industrial con un rango de tensión de funcionamiento entre 650 V y 10 A. Estos diodos pueden utilizarse en fuentes de alimentación o circuitos rectificadores para convertir fuentes de alimentación de alta tensión, incluyendo encapsulados de montaje en superficie (DPAK R2P y D2PAK R2P) o de orificio pasante (TO-220-2, TO-247-2); ahora también se pueden solicitar muestras de ingeniería.

Alta conductividad térmica

Los semiconductores de banda prohibida ancha, como el SiC, son famosos por su conductividad térmica superior a la de los diodos de silicio convencionales, lo que permite al dispositivo disipar el calor con mayor eficacia, lo que se traduce en mayores densidades de potencia dentro de un mismo encapsulado y en la posibilidad de alojar componentes adicionales en espacios limitados. Esta característica puede resultar especialmente ventajosa en aplicaciones de convertidores de potencia en las que la eficiencia es clave, así como en sistemas que experimentan eventos térmicos transitorios que, de otro modo, podrían dañar o destruir su dispositivo.

Los diodos de carburo de silicio presentan un rendimiento térmico mejorado que también aumenta su margen frente a las tensiones de sobretensión, proporcionando más espacio para manejar mayores corrientes de sobretensión y requisitos de conducción complejos sin sacrificar el rendimiento o la fiabilidad. Este margen adicional puede resultar especialmente valioso en aplicaciones como los sistemas solares fotovoltaicos y la carga de vehículos eléctricos (VE), donde las condiciones ambientales pueden ser difíciles.

Los diodos de SiC presentan una elevada conductividad térmica, lo que les permite soportar temperaturas de funcionamiento mucho más elevadas que sus homólogos de silicio y, al mismo tiempo, disipar el calor suficiente para proteger los circuitos del sobrecalentamiento. Esto les permite funcionar en entornos más exigentes y ayuda a los diseñadores a alcanzar mayores eficiencias energéticas al tiempo que reducen el coste, el peso y la huella del sistema.

Las uniones Schottky metálicas sólo permiten el paso de electrones, a diferencia de las uniones PN estándar, en las que fluyen simultáneamente huecos y electrones. Esto permite que este tipo de dispositivo de potencia se encienda y apague más rápido que los diodos de silicio tradicionales, a la vez que presenta tensiones de ruptura inversa más bajas.

Los diodos de carburo de silicio tienen un inconveniente inherente cuando se utilizan para aplicaciones más exigentes; sin embargo, su elevada tensión de ruptura inversa permite a los diseñadores superar esta limitación con una tensión inversa superior a la que permitirían los diodos de silicio estándar. Esta mayor tensión de ruptura inversa permite utilizar con seguridad dispositivos de potencia con mayor ruptura inversa en aplicaciones más exigentes sin riesgo de daños o fallos, lo que da lugar a sistemas con mayor eficacia y menor coste total que los que podrían conseguirse con dispositivos de silicio convencionales.

Alta capacidad de corriente

Los diodos de carburo de silicio ofrecen capacidades de corriente superiores a las de sus homólogos de silicio, lo que permite utilizarlos en aplicaciones que requieren velocidades de conmutación rápidas, como fuentes de alimentación y sistemas de alimentación ininterrumpida. Su mayor capacidad de corriente también contribuye a mejorar la eficiencia y, al mismo tiempo, a reducir el tamaño y el coste de los componentes.

Los diodos de carburo de silicio tienen una mayor capacidad de corriente debido a su menor caída de tensión directa y su tiempo de recuperación más rápido, lo que permite tiempos de conmutación más rápidos y reduce las pérdidas de potencia en las fuentes de alimentación. Además, esta menor pérdida de potencia también permite temperaturas de funcionamiento más elevadas para mejorar la fiabilidad de estos dispositivos.

Los diodos de carburo de silicio presentan una conductividad térmica superior a la de sus homólogos de silicio, lo que permite una disipación del calor más eficaz, reduciendo la resistencia y aumentando la densidad de corriente. Cuando se combina con su baja caída de tensión directa y su rápido tiempo de recuperación, un diodo Schottky de carburo de silicio crea un excelente dispositivo de alto rendimiento adecuado para muchas aplicaciones electrónicas diferentes.

Los diodos Schottky de carburo de silicio ofrecen varias ventajas claras sobre los diodos estándar. Una de esas ventajas es su capacidad para soportar grandes picos de corriente gracias a la estructura y durabilidad natural del material semiconductor de carburo de silicio, lo que hace que este tipo de diodos sea ideal para su uso en aplicaciones de alto rendimiento como accionamientos de motores industriales, inversores solares y circuitos de vehículos eléctricos.

Wolfspeed ofrece una selección de diodos de carburo de silicio, como el diodo Schottky de carburo de silicio MPS (Merged PiN) de 650 V con baja caída de tensión directa y excelentes capacidades de manejo de sobrecorriente. Este diodo puede encontrarse en aplicaciones de electrónica de potencia de alto rendimiento como accionamientos de motores industriales, sistemas de almacenamiento de energía e inversores solares, además de ofrecer excelentes resultados cuando se utiliza como servoaccionamiento o compresor para bombas de calefacción y acondicionadores de aire.

Recuperación rápida

Los diodos de SiC ofrecen numerosas ventajas sobre sus homólogos de silicio. Gracias a su amplia banda de separación, su elevada capacidad de corriente y sus propiedades de conductividad térmica mejoradas, los dispositivos de SiC permiten que los sistemas electrónicos de potencia funcionen a temperaturas, tensiones y velocidades más altas que nunca.

Los diodos de barrera Schottky de SiC presentan tiempos de recuperación inversa más cortos que los diodos de silicio (Si), lo que les permite encenderse a tensiones más bajas y manejar corrientes más altas sin sacrificar la fiabilidad. También tienen menores caídas de tensión directa que los diodos de Si, lo que permite velocidades de conexión y desconexión más rápidas y menores pérdidas de potencia.

Los diodos de SiC presentan una rápida recuperación inversa debido a su ausencia de regiones de agotamiento; como resultado, durante la polarización inversa no existen portadores minoritarios (huecos) en la capa n, sólo fluyen electrones a través de la unión, y la recuperación se produce mucho más rápidamente en comparación con los diodos PN convencionales.

Como proveedor pionero de alimentación discreta de SiC en el mundo, Infineon reconoce que la fiabilidad es de suma importancia. Para cumplir este objetivo, han implantado programas exhaustivos de control de calidad y fiabilidad que garantizan que todos sus diodos de SiC cumplen estrictas especificaciones de calidad.

Los SBD de SiC de Infineon se someten a rigurosas pruebas de parámetros estáticos y de manejo de corrientes de sobretensión para garantizar un rendimiento óptimo, y a rigurosas pruebas de capacidad de avalancha para garantizar que pueden utilizarse con seguridad en aplicaciones de alto voltaje.

Los SBD de SiC de Infineon tienen una larga vida útil y una alta frecuencia de conmutación, lo que los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones de electrónica de potencia en los mercados de automoción, aeroespacial y defensa, energías renovables, industrial y electrónica de consumo. Además, los SBD de SiC tienen tamaños más pequeños y tensiones de ruptura más altas que los diodos de silicio tradicionales, lo que los hace ideales para su uso a temperaturas más altas en aplicaciones exigentes, al tiempo que son alternativas respetuosas con el medio ambiente a los semiconductores basados en silicio que pueden resultar perjudiciales si se liberan en el medio ambiente.