La demanda de dispositivos de potencia aumenta constantemente, impulsada por el empuje procedente de sectores con grandes innovaciones como la movilidad eléctrica, las energías renovables y los centros de datos. Las aplicaciones de potencia actuales tienen requisitos cada vez más estrictos, relacionados sobre todo con la consecución de una mayor eficiencia (con la consiguiente reducción de las pérdidas de potencia), junto con una reducción del peso y el tamaño.

Los MOSFET e IGBT tradicionales basados en silicio, que se han desarrollado y mejorado constantemente a lo largo de los años, demuestran sus limitaciones en aplicaciones de potencia en las que se requieren frecuencias de conmutación más altas, mayor capacidad de disipación del calor, menor peso y tamaño.
El carburo de silicio (SiC) es un semiconductor de banda ancha que supera los límites de la tecnología Si gracias a su capacidad para funcionar a tensiones, frecuencias y temperaturas más elevadas sin sufrir daños. Más de 10 años después de su introducción en el mercado, el SiC ha alcanzado una madurez y fiabilidad que permiten su uso en las aplicaciones de potencia más críticas, como automoción, energías renovables, centros de datos y aeroespacial.

Soluciones de SiC de Microchip
Microchip Technology, proveedor líder de semiconductores para soluciones de control embebidas, inteligentes, conectadas y seguras, ofrece la cartera más amplia y flexible del sector de diodos de barrera Schottky (SBD), MOSFET y controladores de puerta digitales configurables de SiC en forma de pastilla (bare die), discreto y de módulo de potencia (Figura 1). Microchip también puede personalizar los módulos de potencia en función de las necesidades específicas de la aplicación del cliente.

Con más de dos décadas de experiencia en el diseño y desarrollo de SiC, las soluciones SiC de Microchip ofrecen los mejores niveles de rendimiento, robustez y fiabilidad del mercado, lo que permite a los diseñadores reducir tanto los costes de desarrollo como el tiempo de comercialización de las aplicaciones. Microchip también ofrece algunos de los mejores plazos de entrega de SiC del sector, lo que es posible gracias a un enfoque basado en el aprovisionamiento de obleas de epi de múltiples fuentes y a la existencia de fábricas duales de SiC, lo que proporciona a los clientes seguridad en el suministro.
La robustez de los MOSFET de SiC de Microchip se ve reforzada por un diseño preciso que garantiza una mayor capacidad de conmutación inductiva no bloqueada (UIS) repetitiva, lo que elimina la necesidad de añadir un atenuador (snubber) para proteger el MOSFET de SiC de la tensión de sobretensión (avalancha). Cuando la corriente que circula por una inductancia se interrumpe bruscamente, el campo magnético induce una fuerza contraelectromotriz que puede generar tensiones muy altas en el propio MOSFET. Por lo tanto, para los dispositivos de potencia es esencial alcanzar un alto grado de robustez, entendida aquí como la capacidad de resistir la degradación del MOSFET de SiC cuando se somete a UIS; de lo contrario, se necesitan componentes adicionales para proteger el MOSFET de SiC de la avalancha. Además de ofrecer dispositivos resistentes al UIS, los MOSFET de SiC de Microchip ofrecen un rendimiento de cortocircuito "similar al de los IGBT" para sortear con seguridad los transitorios inesperados del sistema.
Para satisfacer los requisitos de las aplicaciones de potencia que utilizan altas frecuencias de conmutación y altas tensiones de funcionamiento para aumentar la eficiencia y reducir el peso y el tamaño de la solución (como el transporte electrificado, las energías renovables, el sector aeroespacial y las aplicaciones industriales), Microchip ha presentado recientemente en el mercado MOSFET de SiC de 3,3 kV, que incluyen el RDS(on) más bajo de la industria (hasta 25 mΩ), y SBD de SiC que incluyen la clasificación de corriente más alta de la industria (90A).
Aunque los IGBT de 3,3 kV se utilizan actualmente en numerosas aplicaciones, sus velocidades de conmutación son limitadas, lo que provoca elevadas pérdidas de conmutación y un gran tamaño del sistema. En cambio, el uso de MOSFET de SiC de 3,3 kV permite a los diseñadores reducir las pérdidas, el tamaño y el peso de la solución, así como reducir la complejidad de los sistemas multinivel a simples diseños de 2 niveles. Ambos dispositivos están disponibles en forma de pastilla (die) o encapsulado.

SiC: ventajas y aplicaciones
En comparación con los dispositivos de potencia de Si tradicionales, como los MOSFET y los IGBT, las soluciones de SiC de Microchip ofrecen las siguientes ventajas clave:
- Mayor temperatura de unión y mejor refrigeraciónMenor RDS (on) y mayor eficiencia
- Conductividad térmica 3 veces superior, lo que se traduce en mayor densidad de potencia y mayor capacidad de corriente
- Velocidad de saturación de electrones 2 veces superior, lo que se traduce en una conmutación más rápida y una reducción del tamaño (además, la mayor frecuencia de conmutación permite utilizar magnéticos, transformadores, filtros y pasivos más pequeños, lo que reduce el espacio ocupado por la solución).
- Menores pérdidas de conmutación
- Tasa de fallos por susceptibilidad a los neutrones 10 veces inferior a la de los IGBT comparables a tensiones nominales.
- Inductancia parásita (stray) extremadamente baja, <2,9 nH en módulos de SiC.

Los dispositivos SiC también pueden combinarse con otros productos de Microchip, como microcontroladores, circuitos integrados de gestión de potencia, sensores analógicos, transceptores inalámbricos y controladores táctiles y gestuales, para crear soluciones completas a costes reducidos.
Los mercados y aplicaciones típicos a los que se dirigen los productos SiC de Microchip son:
- Transporte: La elevada robustez y tensión de funcionamiento de los dispositivos de SiC es esencial para crear inversores y convertidores de tensión eficientes, así como dispositivos de protección, utilizados en vehículos eléctricos (coches, autobuses, camiones, ferrocarriles, barcos, eVTOL y aviones) y en la infraestructura de carga.
- Industriales: La alta frecuencia de conmutación, las bajas pérdidas y la excelente gestión térmica hacen de los dispositivos de SiC la solución ideal para aplicaciones como el control de motores, las fuentes de alimentación conmutadas, los SAIs, la soldadura y el calentamiento por inducción.
- Energías renovables: Los inversores basados en SiC pueden utilizarse en aplicaciones fotovoltaicas y en turbinas eólicas para reducir las pérdidas de potencia y aumentar la eficiencia.
- Medicina: Los equipos de diagnóstico, como las resonancias magnéticas y los rayos X, necesitan fuentes de alimentación fiables, robustas y eficientes.
- Aeroespacial y defensa: Las propiedades del SiC permiten que los dispositivos de alimentación basados en este material funcionen a altas tensiones y temperaturas sin sufrir daños. La cartera de productos de SiC de Microchip incluye la familia BL1, BL2 y BL3 de módulos de alimentación sin base, que han superado múltiples pruebas de validación conformes con la norma RTCA DO-160G y ya están cualificados para aplicaciones aeroespaciales, incluidos drones de carga y pesados.

La comparación entre cómo varía la RDS(on) con la temperatura en Si y SiC es bastante significativa. En los MOSFET de Si, la dependencia de la temperatura de la RDS(on) (mostrada en la Figura 2) no varía con la tensión nominal del dispositivo, ya que la movilidad de los electrones en los MOSFET de Si está dominada por la dispersión térmica. En el intervalo de temperaturas entre 25˚C y 150˚C, la RDS(on) aumenta en una proporción de aproximadamente 2,7 a 1.

Figura 2: RDS(on) frente a la temperatura en el MOSFET de Si

En la Figura 3, en cambio, podemos observar el mismo tipo de curva referida a un dispositivo de SiC de 1200V perteneciente a la familia Microchip. En este caso, en el rango de temperaturas comprendido entre 25˚C y 175˚C, RDS(on) varía típicamente con una relación entre 1,5 y 1,8. Por tanto, en comparación con la anterior, se trata de una curva casi plana.

Figura 3: RDS(on) frente a la temperatura en un dispositivo SiC 1200V

Controladores de puerta digitales programables
Para resolver los retos críticos que pueden surgir al trabajar con dispositivos de potencia de SiC e IGBT a frecuencias de conmutación más altas, Microchip ha diseñado la familia AgileSwitch® de controladores de puerta digitales configurables. En concreto, los MOSFET de SiC deben controlarse ajustando correctamente los parámetros de control de puerta. De lo contrario, los picos de apagado, el zumbido, las interferencias electromagnéticas y la DSAT podrían causar daños permanentes en el dispositivo.
Los controladores AgileSwitch permiten a los diseñadores controlar, supervisar y proteger las aplicaciones basadas en SiC con tecnología de conmutación aumentada, proporcionando hasta siete notificaciones de fallo y protección para un funcionamiento seguro y fiable. Microchip ofrece una línea completa de placas adaptadoras de módulos y núcleos controladores de puertas, junto con sus placas controladoras de puertas plug-and-play para abordar una amplia gama de módulos de potencia SiC.

La figura 4 muestra un núcleo controlador de puerta de doble canal AgileSwitch SiC para módulos SiC de 1200 V. Los núcleos controladores de puerta, que integran la tecnología de control Augmented Switching (Conmutación Aumentada) cuentan con una sólida protección contra cortocircuitos y son totalmente configurables por software, incluyendo tensiones de alimentación de puerta de ±Vgs. Dado que los dispositivos de SiC pueden soportar cortocircuitos durante un periodo muy reducido (unos 2-3 µs), es esencial adoptar los parámetros de protección contra cortocircuitos adecuados para el controlador de puerta.

Figura 4: Núcleo de controlador de puerta digital configurable de dos canales para SiC de 1200 V

A diferencia de los controladores de puerta analógicos convencionales, estos controladores de puerta digitales pueden conmutar hasta 200 kHz y son totalmente configurables por software, evitan los falsos fallos y mitigan el zumbido, las interferencias electromagnéticas (EMI), así como el sobreimpulso (overshoot) y el subimpulso (undershoot) en los módulos de potencia SiC e IGBT. Conectado a la placa adaptadora del módulo, el núcleo del controlador de puerta digital permite a los diseñadores evaluar rápidamente el módulo y el controlador de puerta y reducir el tiempo de comercialización.
El controlador de puerta mostrado en la Figura 4 proporciona hasta 10 A de corriente de pico e incluye un convertidor CC/CC aislado (con tensión de salida configurable) y una barrera de aislamiento de baja capacitancia para señales PWM y realimentación de fallos. La herramienta de configuración inteligente (ICT) es una GUI que permite a los usuarios configurar rápidamente los parámetros relevantes del controlador de puerta sin tener que preocuparse de cambiar el hardware. Entre las funciones configurables se incluyen el encendido y apagado por conmutación aumentada, las tensiones de puerta ±Vgs (Vgs positiva de 15 V a 21 V, Vgs negativa de -5 V a 0 V), el bloqueo por subtensión y sobretensión de la fuente de alimentación, los ajustes de detección de desaturación, el tiempo muerto, el bloqueo por fallo y los ajustes de reinicio.

Kits de Desarrollo y herramientas
La cartera de productos SiC de Microchip está respaldada por una amplia selección de modelos SiC SPICE compatibles con los módulos simuladores analógicos MPLAB® Mindi y los diseños de referencia de placas de controladores. Además, la herramienta de configuración inteligente (ICT) permite a los diseñadores establecer los parámetros relevantes del controlador de puerta SiC para la familia AgileSwitch de controladores de puerta digitales configurables de Microchip. La interfaz ICT (véase la figura 5) permite a los diseñadores configurar varios parámetros del controlador de puerta, incluidos los perfiles de conmutación de puerta, los monitores críticos del sistema y los ajustes de la interfaz del controlador. Los nuevos dispositivos pueden caracterizarse de forma rápida y sencilla, cambiando los ajustes del controlador en el laboratorio o sobre el terreno sin necesidad de soldaduras. El resultado es un controlador de puerta personalizado y optimizado para satisfacer los requisitos de la aplicación sin tener que cambiar el hardware. Para acelerar aún más el tiempo de comercialización, los kits de desarrollo acelerado ASDAK (sin módulo SiC) y ASDAK+ (con módulo SiC) incluyen los elementos de hardware y software necesarios para optimizar el rendimiento de los módulos y sistemas de potencia SiC, y pueden ahorrar a los diseñadores entre tres y seis meses de tiempo de desarrollo en nuevos diseños.

Figura 5: Captura de pantalla de la herramienta de configuración inteligente

AUTOR: Por Perry Schugart, Ingeniero Técnico - Marketing de Producto de Microchip Technology