Tecnología de los semiconductores SiC Y GaN

El nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) son semiconductores de banda ancha que han atraído considerable atención en la electrónica de potencia por sus notables propiedades. Estos materiales presentan ventajas significativas en comparación con los semiconductores tradicionales basados en silicio, posicionándolos como esenciales para optimizar la eficiencia y el rendimiento de los dispositivos electrónicos, particularmente en convertidores DC/DC e inversores DC/AC.

Nitruro de Galio (GaN):

• Propiedades: El GaN es un semiconductor de banda ancha con alta movilidad de electrones y una mayor tensión de ruptura que el silicio, permitiéndole operar a temperaturas, tensiones y frecuencias más elevadas.
• Ventajas:
  • Mayor eficiencia: Los semiconductores GaN tienen menor resistencia en conexión y pérdidas de conmutación, lo que resulta en una conversión de potencia más eficiente.
  • Diseño compacto: Gracias a su alta densidad de potencia, los dispositivos GaN permiten diseños más pequeños, ideales para la miniaturización.
  • Conmutación rápida: Los transistores GaN pueden conmutar más rápidamente que los de silicio, reduciendo las pérdidas asociadas a la conmutación.
• Aplicaciones:
  • Convertidores DC/DC: Los dispositivos GaN mejoran la eficiencia en convertidores de tensión, como buck y boost, especialmente en transporte y centros de datos.
  • Inversores DC/AC: Son útiles en sistemas de energías renovables, como los inversores solares, y en control de motores, mejorando la eficiencia y la conversión energética.

Carburo de silicio (SiC):

• Propiedades: El SiC es otro semiconductor de banda ancha conocido por su estabilidad a altas temperaturas y sobresalientes características eléctricas, soportando mayores tensiones y temperaturas que el silicio.
• Ventajas:
  • Operación a alta tensión: Los dispositivos SiC funcionan a altas tensiones, evitando problemas complejos de apilamiento de tensión en sistemas de alimentación.
  • Menores pérdidas de conducción: La baja resistencia de conexión del SiC reduce las pérdidas por conducción, mejorando la eficiencia.
  • Resistencia térmica: El SiC puede soportar temperaturas extremas, adecuadas para entornos exigentes.
• Aplicaciones:
  • Convertidores DC/DC: El SiC es crucial en convertidores de potencia para aplicaciones de alta tensión, como el transporte eléctrico y sistemas de energías renovables.
  • Inversores DC/AC: Los inversores con SiC son esenciales para convertir corriente continua de fuentes como baterías en corriente

Importancia en la mejora de eficiencia y rendimiento:

La tecnología de semiconductores de potencia como el GaN (nitruro de galio) y el SiC (carburo de silicio) ofrece mejoras significativas en la eficiencia y rendimiento de los dispositivos electrónicos, especialmente en convertidores DC/DC e inversores DC/AC. Estas mejoras se logran a través de varios mecanismos:

• Reducción de pérdidas: Los dispositivos GaN y SiC tienen menores pérdidas de conducción y conmutación, lo que resulta en una mayor eficiencia y una mejor gestión del calor.
• Mayor densidad de potencia: Gracias a sus dimensiones compactas y sus propiedades térmicas avanzadas, estos semiconductores permiten una mayor densidad de potencia, facilitando el diseño de sistemas electrónicos más pequeños y livianos.
• Rango operativo ampliado: Tanto el GaN como el SiC pueden operar a temperaturas y tensiones más altas, lo que mejora la confiabilidad y durabilidad de los dispositivos electrónicos.
• Dinámica de conmutación mejorada: La rápida capacidad de conmutación de estos materiales permite un control más preciso, reduciendo la distorsión y mejorando el rendimiento general del sistema.

Ventajas de los semiconductores GaN y SiC:

Al explorar cómo las ventajas de los semiconductores de GaN y SiC se traducen en un mejor rendimiento de convertidores DC/DC e inversores DC/AC, es evidente que estos materiales ofrecen:

• Eficiencia Mejorada:
  • Reducción de pérdidas por conmutación: Los semiconductores GaN y SiC permiten una conmutación más rápida que el silicio convencional, reduciendo las pérdidas por conmutación y aumentando la eficiencia global al minimizar la disipation de calor.
  • Menores pérdidas por conducción: Ambos tipos de semiconductores tienen una menor resistencia en la conexión, lo que reduce las pérdidas por conducción y asegura que una mayor proporción de la potencia de entrada llegue efectivamente a la carga.
  • Tolerancia a altas temperaturas: GaN y SiC pueden operar a temperaturas más altas sin degradar su rendimiento, lo que permite un funcionamiento más eficiente con menos necesidad de refrigeración.
• Mayor densidad de potencia:
  • Tamaño compacto: Los dispositivos GaN y SiC manejan mayores niveles de potencia en un espacio reducido, permitiendo un uso más eficiente del espacio en aplicaciones con restricciones de tamaño o peso.
  • Manejo de tensiones más altas: El SiC puede soportar niveles de tensión más altos que el silicio, simplificando el diseño de convertidores y aumentos de potencia.
  • Menores requisitos de refrigeración: La mejora en eficiencia y características térmicas de GaN y SiC reduce la necesidad de sistemas de refrigeración complejos, facilitando el diseño de sistemas más compactos y livianos.

Estas ventajas se traducen en una mayor eficiencia y densidad de potencia, permitiendo el desarrollo de sistemas electrónicos más pequeños y energéticamente eficientes. Esto es particularmente crucial en aplicaciones como vehículos eléctricos, energías renovables, automatización industrial y el sector ferroviario, donde el espacio, el peso y la eficiencia energética son factores críticos.

La industria de semiconductores ha avanzado notablemente en las últimas décadas, enfocándose en reducir el tamaño de los dispositivos y aumentar su eficiencia. Los materiales semiconductores de banda prohibida ancha (WBG), como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), han revolucionado el campo al ofrecer mejoras significativas respecto al estándar de silicio.

Aunque el silicio es un semiconductor versátil y eficaz para usos generales, presenta limitaciones evidentes en aplicaciones que requieren altas tensiones, temperaturas extremas y altas frecuencias de conmutación. En respuesta a la creciente demanda de mayor potencia, la industria está haciendo una transición rápida hacia los semiconductores WBG, que son más adecuados para aplicaciones de alta potencia.

Semiconductores de banda prohibida ancha:  el futuro de la tecnología SiC y GaN

Los materiales de banda prohibida ancha permiten que los dispositivos funcionen a temperaturas extremas, densidades de potencia elevadas, tensiones altas y frecuencias de conmutación superiores, haciéndolos ideales para los sistemas electrónicos del futuro. El SiC y el GaN se clasifican como semiconductores WBG debido a la gran cantidad de energía requerida para excitar los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. El SiC tiene una banda prohibida de aproximadamente 3,2 eV, mientras que el GaN tiene una de 3,4 eV, en comparación con los 1,1 eV del silicio. Esta banda prohibida más ancha resulta en una mayor tensión de ruptura, que puede alcanzar hasta 1.700 voltios en algunas aplicaciones.

Existe una relación directa entre la banda prohibida y el campo crítico de ruptura de un semiconductor. Los campos de ruptura para GaN y SiC son relativamente altos, con el GaN alcanzando 3,3 MV/cm y el SiC 3,5 MV/cm, frente a los 0,3 MV/cm del silicio. Esto indica que GaN y SiC pueden soportar tensiones mucho mayores, lo que los hace más adecuados para aplicaciones que requieren una gestión eficiente de altas tensiones y corrientes de fuga reducidas.

La movilidad y la velocidad de saturación de los electrones en los semiconductores WBG permiten operar a frecuencias más altas. El GaN tiene una movilidad de electrones de 1.500 cm²/Vs, superior a los 1.450 cm²/Vs del silicio, mientras que el SiC tiene una movilidad de aproximadamente 900 cm²/Vs. Esto hace que el GaN sea más adecuado para aplicaciones de alta frecuencia de conmutación debido a su movilidad de electrones más alta.

En términos de conductividad térmica, el SiC (5 W/cmK) supera al GaN (1,3 W/cmK) y al silicio (1,5 W/cmK). Esto significa que los dispositivos de SiC pueden manejar densidades de potencia más altas gracias a su mejor conductividad térmica. La combinación de alta conductividad térmica, banda prohibida amplia y elevado campo crítico de ruptura da al SiC una ventaja en aplicaciones de alta potencia. 

Dispositivos y soluciones de SiC:

Los dispositivos de potencia de SiC han avanzado desde sus primeras muestras de prototipos hasta convertirse en productos comercialmente disponibles. Esta evolución es evidente en el mercado actual, que ofrece una variedad de dispositivos de potencia de SiC, desde componentes discretos hasta módulos completos. Actualmente, se pueden encontrar diodos, JFET, BJT y MOSFET fabricados en SiC, con tensiones nominales que van desde 600 V hasta 1,7 kV y corrientes nominales que oscilan entre 2,6 A y más de 325 A. Varios fabricantes, como Nexperia, Genesic, Infineon, onsemi, MICROCHIP, ROHM, STARPOWER, Ween Semiconductors, STMicroelectronics, Vishay, Wolfspeed y Littelfuse, están produciendo dispositivos de potencia de SiC, lo que demuestra la madurez de la tecnología WBG como un sustituto viable de los componentes de silicio.

Los diodos de SiC, en su mayoría de tipo Schottky (también conocidos como diodos de barrera Schottky o SBD), ofrecen un rendimiento de conmutación superior, mayor eficiencia y densidad de potencia, así como una reducción en los costos del sistema. Entre sus ventajas se incluyen la ausencia de recuperaciones inversas, una baja caída de tensión directa, estabilidad en la corriente, alta capacidad de sobretensión y un coeficiente de temperatura positivo. En el mercado, hay una amplia gama de diodos de SiC con tensiones de ruptura de 650 V, 1200 V y 1700 V, y corriente continua directa (If) que varía de 1 A a 370 A. Los encapsulados más comunes son TO-247, TO-220 y SMD.

Los FET de SiC permiten nuevas aplicaciones en mayores niveles de potencia y tensión. Funcionando como sustitutos directos de los IGBT y los MOSFET de silicio, los FET de SiC presentan bajas pérdidas, capacidad para manejar altas temperaturas, baja resistencia en estado encendido a lo largo de un amplio rango térmico y mínimas pérdidas de conmutación. Esto permite que los MOSFET de SiC sean más compactos, con tensiones de ruptura más altas y mejor refrigeración. Aunque los IGBT son principalmente utilizados para tensiones de conmutación superiores a 600 V, los dispositivos de SiC permiten que los MOSFET operen hasta 1700 V y en corrientes aún mayores. Además, los MOSFET de SiC tienen pérdidas de conmutación significativamente menores que los IGBT y pueden operar a frecuencias más altas.

Para su funcionamiento, los MOSFET de SiC requieren controladores de puerta específicos que proporcionen una tensión negativa a la puerta en el estado apagado y que puedan suministrar pulsos de corriente de carga/descarga elevados. Su velocidad permite operaciones en el rango de nanosegundos, por lo que un diseño cuidadoso del controlador de puerta es fundamental para asegurar un rendimiento óptimo durante las transiciones de conmutación y maximizar las ventajas inherentes de los MOSFET de SiC. Cada vez más, los nuevos diseños en áreas de conversión de potencia, como los convertidores CA-CC y CC-CC de alta potencia, incorporan FET de SiC.

Más allá del mercado de componentes discretos, los consumidores también pueden acceder a una amplia variedad de módulos de alimentación de SiC y placas de evaluación/desarrollo para diversas aplicaciones, como controladores de motores.

Las empresas han desarrollado carteras que permiten una fácil selección de productos según las necesidades de los clientes. Infineon, por ejemplo, está revolucionando el mercado con su gama de productos de SiC y GaN. La línea CoolSiC de la empresa incluye diodos de SiC, MOSFET, módulos híbridos y placas de evaluación con características de rendimiento destacadas. Esta cartera CoolSiC posibilita el diseño de sistemas extremadamente eficientes y compactos que satisfacen las futuras demandas de generación, transmisión y consumo de energía de manera más inteligente y eficiente.

Aplicaciones

Los semiconductores de banda prohibida ancha (WBG) comenzaron a ser valorados en el mercado a principios del siglo XX, con el lanzamiento en 1907 de diodos emisores de luz de SiC que emitían luz en diferentes colores. Hoy en día, los semiconductores modernos de SiC y GaN han demostrado un rendimiento sobresaliente en una variedad de sectores, incluyendo vehículos eléctricos e híbridos, energías renovables y tecnologías 5G. Estos materiales ofrecen ventajas prácticas para satisfacer tanto la demanda de los consumidores como las necesidades de la industria.

Además de estos sectores, la electrónica de potencia WBG ha generado ahorros significativos en energía en aplicaciones como servidores de datos, adaptadores de corriente alterna, inversores solares, fuentes de alimentación, circuitos de carga y control de redes eléctricas. La capacidad de los materiales WBG para operar de manera eficiente en condiciones extremas también los convierte en opciones ideales para aplicaciones en entornos desafiantes, como en el ámbito militar, automotriz, aeronáutico y espacial.