Los transistores de carburo de silicio se utilizan cada vez más envoltaje convertidores de potencia, ya que pueden cumplir con los estrictos requisitos en cuanto a tamaño, peso y/o eficiencia de estas aplicaciones. Pero ¿por qué es esto? la tecnología ¿Tan fascinante para los ingenieros? El blog proporcionará algunas ideas.
Las excelentes propiedades del material del carburo de silicio (SiC) permiten el diseño de dispositivos unipolares de conmutación rápida en lugar de Bipolar de puerta aislada. Transistor (IGBT) interruptores. Por lo tanto, soluciones que sólo eran viables en el mundo del bajo voltaje con voltajes de 600 V e inferiores ahora también son posibles con voltajes más altos. Los resultados son una mayor eficiencia, mayores frecuencias de conmutación, menos disipación de calor y ahorro de espacio, beneficios que, a su vez, también reducen el costo general del sistema.
Infineon Technologies identificó este potencial hace casi 30 años y estableció un equipo de expertos en 1992 para desarrollar diodos y transistores de SiC para aplicaciones industriales de alta potencia. Aquí hay una lista breve e incompleta de los hitos alcanzados desde entonces:
- La primera introducción mundial de diodos Schottky basados en SiC en 2001
- Los primeros módulos de potencia que contienen dispositivos SiC en 2006
- El lanzamiento de la actual quinta generación de diodos SiC
- El cambio total a la tecnología de obleas de 150 mm en Villach Innovation Factory en relación con el estreno del innovador Trench CoolSiC™ mosfet en 2017
Óxido de metal-Semiconductores transistores de efecto de campomosfets) han sido comúnmente aceptados como el concepto de elección cuando se apunta a dispositivos de SiC confiables. Inicialmente, efecto de campo de unión Transistor (JFET) parecía la solución definitiva para fusionar rendimiento y fiabilidad en un transistor de SiC. Sin embargo, con la tecnología de obleas de 150 mm ahora establecida, los MOSFET de SiC basados en zanjas se han vuelto factibles. De esta manera, se podría resolver el dilema de las estructuras de semiconductores de óxido metálico de doble difusión (DMOS) de tener rendimiento o alta confiabilidad.
Los dispositivos de potencia basados en banda prohibida amplia, como los diodos y transistores de SiC, o los transistores de alta movilidad de electrones de nitruro de galio (GaN HEMT), son hoy en día elementos comunes en la biblioteca de diseñadores de electrónica de potencia. ¿Pero por qué? ¿Qué tiene de fascinante el carburo de silicio en comparación con el silicio tradicional? ¿Qué hace que los componentes de SiC sean tan atractivos para los ingenieros de diseño que los utilizan con tanta frecuencia en sus diseños a pesar de sus costos más altos en comparación con los dispositivos de silicio de alto voltaje? Veamos algunas razones.
Las bajas pérdidas y un campo de alto desglose son la clave
En los sistemas de conversión de energía, los ingenieros de diseño se esfuerzan continuamente por reducir las pérdidas de energía durante la conversión. Los sistemas modernos se basan en tecnologías en las que los transistores de estado sólido se encienden y apagan en combinación con elementos pasivos. Para las pérdidas relacionadas con los transistores utilizados, varios aspectos son relevantes.
- Primero, los ingenieros de diseño deben considerar las pérdidas en la fase de conducción. En los MOSFET, estos se definen por una resistencia clásica. En los IGBT, es un determinante de pérdida de conducción fijo en forma de voltaje de rodilla (Vce_sat) y adicionalmente una resistencia diferencial de la característica de salida. Las pérdidas en la fase de bloqueo generalmente se pueden despreciar.
- En segundo lugar, los ingenieros de diseño deben considerar que siempre hay una fase de transición entre el estado ON y OFF durante la conmutación (Figura 1 y XNUMX). Las pérdidas relacionadas se definen principalmente por las capacidades del dispositivo. En los IGBT, existen más contribuciones debido a la dinámica de la portadora minoritaria (pico de activación, corriente de cola).
Según estas consideraciones, es de esperar que el dispositivo elegido sea siempre un MOSFET. Sin embargo, especialmente para altos voltajes, la resistencia de los MOSFET de silicio llega a ser tan alta que el balance de pérdidas totales es inferior al de los IGBT, ya que estos pueden utilizar la modulación de carga de portadores minoritarios para reducir la resistencia en el modo de conducción.
Figura 1 y XNUMX: La figura muestra una comparación gráfica del proceso de conmutación y el comportamiento de IV estático. (Fuente: Infineon Technologies)
La situación cambia cuando se consideran los semiconductores con banda prohibida amplia. Figura 2 y XNUMX Resume las propiedades físicas más importantes de SiC y GaN frente al silicio. La correlación directa entre la banda prohibida y el campo eléctrico crítico de un semiconductor es significante. Con SiC, es aproximadamente 10 veces mayor en comparación con el silicio.
Figura 2 y XNUMX: La imagen destaca las propiedades físicas críticas del SiC y GaN frente al silicio. (Fuente: Infineon Technologies)
Con esta característica, el diseño de los componentes de alto voltaje es diferente. Figura 3 y XNUMX muestra el impacto, utilizando el ejemplo de un dispositivo semiconductor de 5 kV. En el caso del silicio, los diseñadores de semiconductores se ven obligados a utilizar una zona activa relativamente gruesa debido al campo de ruptura interno moderado. Además, solo se pueden incorporar unos pocos dopantes en el área activa, lo que da como resultado una alta resistencia en serie (como se indica en Figura 1 y XNUMX).
Figura 3 y XNUMX: SiC permite zonas activas de semiconductores más delgadas. (Fuente: Infineon Technologies)
Con un campo de ruptura 10 veces mayor en SiC, la zona activa se puede hacer mucho más delgada. Al mismo tiempo, se pueden incorporar muchos más vehículos libres y, por lo tanto, se puede lograr una conductividad sustancialmente más alta. Se puede decir que en el caso del carburo de silicio, la transición entre dispositivos unipolares de conmutación rápida como MOSFET o diodos Schottky, y las estructuras bipolares más lentas como IGBT y diodos pn, ahora se ha desplazado a voltajes de bloqueo mucho más altos (Figura 4 y XNUMX).
Figura 4 y XNUMX: SiC ofrece voltajes de bloqueo más altos que el silicio tradicional. (Fuente: Infineon Technologies)
O viceversa: lo que era posible con silicio en el rango de bajo voltaje alrededor de 50 V es factible con SiC para dispositivos de 1200 V.
Conclusión
Avances en tecnología WBG y silicio Las propiedades superiores del material del carburo permiten que estos dispositivos funcionen con una conmutación más rápida, bajas pérdidas de conmutación y una zona activa más delgada, lo que da como resultado diseños con mayor eficiencia, frecuencias de conmutación más altas y mejores ahorros de espacio. Como resultado, los MOSFET de SiC se están convirtiendo en la opción preferida sobre el silicio tradicional para aplicaciones de conversión de energía.
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