Los semiconductores de SiC y GaN se producen para los productos de alimentación

El carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) se están convirtiendo en la tecnología de banda ancha (WBG) de elección para los diseños de energía de última generación en vehículos eléctricos, fuentes de alimentación industriales y sistemas de energía solar. Veamos por un momento lo que está sucediendo y por qué las tecnologías de WBG pueden proporcionar un camino alternativo hacia adelante al mismo tiempo que analizamos algunas soluciones de vanguardia de WBG que nos llevarán allí.

Desde los vehículos híbridos y eléctricos hasta los centros de datos y los productos de alimentación de uso militar, los materiales semiconductores de SiC y GaN se han convertido en una opción viable para mejorar la conversión de energía y el ahorro de energía en los productos de alimentación de alto voltaje.

Por ejemplo, los inversores de tren motor en vehículos eléctricos (EV) han dependido durante mucho tiempo de los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) basados en silicio, pero los diseñadores de EV utilizan cada vez más MOSFET de SiC que funcionan a frecuencias más altas y son adecuados para aplicaciones de alto voltaje de ruptura. Como resultado, los dispositivos SiC disfrutan de un fuerte crecimiento en vehículos híbridos y eléctricos con la disponibilidad de diodos de barrera Schottky (SBD) de SiC, MOSFET de SiC, transistores de efecto de campo de unión (JFET) de compuerta de SiC y otros dispositivos de SiC. El siguiente paso lógico que podemos esperar es el lanzamiento de módulos completos de SiC.

Por su parte, los semiconductores de GaN prometen un menor costo, son más fáciles de fabricar en comparación con las obleas de SiC y están alcanzando los volúmenes de SiC. Junto con los diseños automotrices, como los inversores, los dispositivos de GaN ahora también se están volviendo populares en los convertidores de CC/CC en el centro de datos, las fuentes de alimentación de alto voltaje y los productos de alimentación de uso militar.

SiC: Mayor densidad de potencia y fiabilidad.

Los materiales de SiC cuentan con una banda ancha de 2.86 electronvoltios (eV) ¹, por lo que tienen una conductividad térmica más alta en comparación con el silicio, a 1.11 eV. Como tales, pueden conducir altos voltajes para aplicaciones de alta potencia. Su capacidad para ofrecer mayor densidad de potencia, durabilidad y confiabilidad los hace adecuados para sistemas de conversión de energía para electrificación de vehículos, inversores solares y otras aplicaciones de alta potencia.

Por ejemplo, la serie E de MOSFET de SiC de Wolfspeed, una compañía de Cree, está optimizada para cargadores de baterías EV y convertidores CC/CC de alto voltaje. La serie E se basa en la tecnología resistente planar de tercera generación de Wolfspeed y se presenta en el diseño de referencia de cargador en placa bidireccional de 6.6 kilovatios (kW) de la compañía.

Wolfspeed posiciona los MOSFET de SiC de la serie E como los que tienen las pérdidas de conmutación más bajas de la industria y el coeficiente de calidad (FOM) más alto. De hecho, tiene una R_DSon de tan solo 65 miliohmios (mΩ), por lo que el FOM, que tiene en cuenta las pérdidas de energía eléctrica y las limitaciones térmicas de los dispositivos de potencia WBG, puede estar en la cima, o cerca de ella, en el momento de escribir este artículo.

Además, para los sistemas de energía solar que operan en entornos extremadamente duros, estos dispositivos de SiC cumplen con la calificación HV-H3TRB. Cumplieron con el 80 % de la tensión nominal de bloqueo en una cámara ambiental a una temperatura ambiente constante de 85 °C con 85 % de humedad relativa.

Rohm Semiconductor también ha puesto a disposición la tercera generación de sus SBD de SiC en una variedad de clasificaciones y paquetes actuales. Los SBD mejoran significativamente las características de Vf y proporcionan una mayor resistencia a la sobrecorriente al tiempo que disminuyen las fugas. Como resultado, los dispositivos pueden tener una menor pérdida de conmutación que los diodos de recuperación rápida de silicio (SiFRD).

Además, Rohm ha lanzado módulos de potencia que integran MOSFET de SiC y SBD en un paquete estándar industrial (Figura 1).

Figura 1: Un R_DS(ON) muy reducido es una razón clave por la que los módulos de potencia que utilizan MOSFET de SiC de tercera generación tienen menores pérdidas de conmutación. (Fuente de la imagen: Rohm Semiconductor)

Los módulos de potencia de medio puente de SiC completo tienen pérdidas de conmutación significativamente menores que los módulos de IGBT convencionales y permiten una operación de alta frecuencia por encima de 100 kHz.

GaN: Más pequeño y más rápido que el silicio.

GaN ofrece un intervalo de banda aún mayor de 3.4 eV y el doble de movilidad de electrones en comparación con el silicio. Además, las características libres de colapso de los dispositivos GaN reducen el tamaño y mejoran la eficiencia de los sistemas de conversión de energía.

Tomemos, por ejemplo, el dispositivo EPC2206 de EPC (Figura 2). Como parte de la familia de transistores de efecto de campo (FET) de eGaN^®, el EPC2206 está dirigido a vehículos que utilizan un bus de distribución de energía de 48 voltios para facilitar las funciones, como arranque-parada eléctricos, dirección eléctrica, suspensión electrónica y aire acondicionado de velocidad variable. Los FET de eGaN EPC2206 se suministran solo en forma de molde pasivado con barras de soldadura. El tamaño del molde es de 6.05 milímetros (mm) x 2.3 mm.

Figura 2: Los FET de eGaN EPC2206 de EPC se suministran solo en forma de molde pasivado con barras de soldadura. El tamaño del molde es de 6.05 mm x 2.3 mm. (Fuente de la imagen: EPC)

Los transistores de GaN de medio puente EPC2100 de EPC también forman parte de la familia de FET de eGaN (Figura 3, arriba). Para simplificar la integración de los FET de potencia en los diseños de convertidores, EPC también ha puesto a disposición la placa de desarrollo EPC9036 (Figura 3, abajo).

Figura 3: El transistor de medio puente GaN EPC2100 viene en forma de molde pasivado con protuberancias de soldadura (parte superior). Mide 6.05 mm x 2.3 mm. Dos de ellos se colocan en paralelo en la placa de desarrollo EPC9059 (parte inferior). (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La placa de desarrollo EPC9036 tiene dos circuitos integrados (CI) de eGaN EPC2100 de 30 voltios en paralelo con una sola unidad de compuerta integrada para mayores corrientes de salida. Tiene todos los componentes fundamentales y el diseño para un rendimiento de conmutación óptimo.

Luego está Transphorm, que lanzó el primer transistor GaN calificado para automóviles AEC-Q101 en 2017. Según Transphorm, sus FET de GaN de alto voltaje le brindan un amplio margen térmico al desarrollar un sistema de energía. Su TP65H035WSQA es su dispositivo GaN calificado III AEC-Q101 y ha ampliado los límites térmicos del FET a 175 °C. Esto es 25 °C más que los MOSFET de silicio de alto voltaje calificados según AEC-Q101.

Las soluciones anteriores demuestran que los dispositivos de potencia SiC y GaN han emergido completamente comercialmente. A medida que continúen abordando los desafíos de diseño fundamentales en áreas de aplicación clave, el volumen y la facilidad de uso aumentarán, lo que ayudará a acercarlos a sus contrapartes de silicio en términos de reemplazo directo.

Referencias:

1 – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/bandgap.html#c1