El carburo de silicio (SiC), también conocido como carborundo, es un compuesto de silicio y carbono. Las características del material de los dispositivos de SiC les confieren capacidades de alto voltaje de ruptura y baja resistencia en estado encendido. Estas características permiten velocidades de conmutación ultrarrápidas y funcionamiento a altas temperaturas, posicionando al SiC como un sucesor viable de los dispositivos tradicionales basados en silicio (Si) en el campo de la electrónica de potencia. Este la tecnología encuentra aplicaciones en áreas destacadas como vehículos eléctricos (EV)/vehículos eléctricos híbridos (HEV) y carga, sistemas de almacenamiento de energía y solares, fuentes de alimentación de datos y comunicaciones y fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), accionamientos industriales, HVAC y soldadura.
Diodos de barrera Schottky (SBD) y óxido metálico.Semiconductores Los transistores de efecto de campo (MOSFET) son dispositivos de SiC comúnmente especificados. En comparación con los dispositivos de silicio, los dispositivos de SiC presentan cinco ventajas clave:
- Frecuencia de conmutación y densidad de potencia: La frecuencia de conmutación de los convertidores de potencia afecta factores como las pérdidas de conmutación, las pérdidas del transformador, el tamaño/peso general del convertidor y la interferencia electromagnética (EMI). Los MOSFET de SiC, a diferencia de los interruptores de silicio, ofrecen bajas pérdidas de energía de conmutación y una carga de puerta ultrabaja, lo que permite frecuencias de conmutación más altas para diseños de transformadores más compactos y pérdidas de energía reducidas.
- Resistencia en estado (RDS (activado)): RDS(on) es la resistencia entre la fuente y el drenaje de un MOSFET. Una menor resistencia en estado encendido conduce a menores pérdidas de energía y una menor generación de calor. El RDS (encendido) de un MOSFET de SiC de 1700 V es significativamente menor que el de los MOSFET de Si de 2000 V y superiores. Esto permite el uso de paquetes más pequeños con la misma resistencia nominal en estado encendido, lo que mejora la rentabilidad de los MOSFET de SiC de 1700 V. Los SBD de SiC funcionan a temperaturas de unión (TJ) superiores a 150 °C.
- Pérdidas de conmutación bajas: Los MOSFET de SiC presentan pérdidas de conmutación menores que los MOSFET de Si, lo que mejora la eficiencia del convertidor. Las pérdidas de conmutación reducidas permiten disipadores de calor más pequeños o incluso su eliminación. Las menores pérdidas de conmutación también ofrecen la flexibilidad de aumentar la frecuencia de conmutación de las fuentes de alimentación auxiliares, minimizando el tamaño y el peso del transformador. Las pérdidas de conmutación ultrabajas y las velocidades de conmutación rápidas mejoran significativamente la eficiencia energética.
- Amplia banda prohibida: Los dispositivos de SiC tienen una banda prohibida amplia, en referencia a la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción. Esta distancia extendida permite que los dispositivos funcionen a voltajes, temperaturas y frecuencias más altas. Los diodos Schottky de SiC discretos y los dispositivos MOSFET de SiC, con una amplia banda prohibida de 3.3 eV para 4H-SiC, logran bajas pérdidas de conducción y conmutación. Al comparar chips semiconductores de SiC y Si con la misma estructura y tamaño, los chips de SiC demuestran una menor resistencia en estado encendido y un mayor voltaje de ruptura.
- Conductividad térmica mejorada: El SiC presenta una conductividad térmica tres veces mayor que el Si convencional. Además, puede soportar voltajes diez veces mayores que el silicio ordinario. La conductividad térmica mejorada reduce la complejidad y los costos del sistema. Los dispositivos MOSFET de SiC ofrecen una combinación de alto voltaje operativo y velocidades de conmutación rápidas, una combinación que no se encuentra típicamente en los transistores de potencia tradicionales.
Como se ilustra en la Figura 1, los dispositivos de SiC demuestran menores pérdidas de conmutación y conducción, lo que reduce el tamaño de los componentes y aumenta la densidad de potencia. Al operar a altas temperaturas de unión, presentan baja resistencia de compuerta, baja carga de compuerta, baja capacitancia de salida y resistencia de estado encendido ultrabaja.
Disponibles en varias clasificaciones de corriente (6 A, 8 A, 10 A, 16 A o 20 A), los dispositivos de SiC ofrecen múltiples ventajas de rendimiento para los diseñadores de sistemas de electrónica de potencia, incluida una corriente de recuperación inversa insignificante, una alta capacidad de sobretensión y una temperatura máxima de funcionamiento de la unión de 175 °C. —lo que los hace adecuados para aplicaciones que exigen mayor eficiencia, confiabilidad y gestión térmica.
En comparación con calificaciones similares IGBT, los dispositivos MOSFET de SiC logran menores pérdidas de conmutación por ciclo y una mayor eficiencia con carga ligera debido a sus ventajas estructurales. Las propiedades inherentes del material del SiC dan como resultado que los MOSFET de SiC superen a los MOSFET de Si de clasificación similar en voltaje de ruptura, resistencia en estado encendido y capacitancia de unión.
Los dispositivos MOSFET de SiC, que admiten un voltaje máximo de fuente-drenaje (VDS) de 1700 V, una resistencia en estado (RDS(on)) de 750 mΩ y una temperatura de unión operativa máxima de 175 °C, cuentan con diseños de PCB simplificados y fuente-drenaje Kelvin. Las conexiones reducen la inductancia parásita en el circuito de accionamiento de la puerta, lo que mejora la eficiencia, el comportamiento EMI y el rendimiento de conmutación.
Fuente: https://www.slw-ele.com/5-key-advantages-of-silicon-carbide.html