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La adopción del Carburo de Silicio entra en la Siguiente Fase con un Enfoque en la Fiabilidad de los Dispositivos, la Innovación de los Accionamientos de Puertas y Soluciones de Sistemas Totales

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La demanda de tecnología de carburo de silicio (SiC), que maximiza la eficiencia de los sistemas de alimentación actuales y reduce al mismo tiempo su tamaño, peso y coste, sigue creciendo. Pero las soluciones de SiC no son sustitutas directas del silicio y no todas son iguales. Para hacer realidad la promesa de la tecnología SiC, los desarrolladores deben evaluar cuidadosamente las opciones de productos y proveedores en función de la calidad, el suministro y el soporte, y comprender cómo optimizar la integración de estos componentes de potencia SiC disruptivos en sus sistemas finales. 

Adopción creciente
La tecnología de SiC se encuentra en una curva de adopción ascendente. La disponibilidad de productos ha aumentado junto con la amplitud de opciones de los múltiples proveedores de componentes. El mercado se ha duplicado en los últimos tres años y se prevé que se multiplique por 20 hasta superar los 10.000 millones de dólares en los próximos 10 años. La adopción se está extendiendo más allá de las aplicaciones de los vehículos híbridos y eléctricos (H/VE) a los sistemas de control de motores y energía no automotrices dentro de los trenes, los vehículos pesados, los equipos industriales y la infraestructura de carga de los vehículos eléctricos. Los proveedores de los sectores aeroespacial y de defensa también están impulsando la calidad y la fiabilidad del SiC para satisfacer las estrictas exigencias de robustez de los componentes de estos sectores.
Una parte clave de un programa de desarrollo de SiC es la validación de la fiabilidad y la resistencia de los dispositivos de SiC, ya que esto difiere en gran medida entre los proveedores. Con la creciente tendencia a centrarse en el sistema total, los diseñadores también deben evaluar el alcance de la oferta de productos del proveedor. Es importante que los diseñadores trabajen con proveedores que ofrezcan soluciones flexibles, como opciones de pastilla, discretas y de módulo, respaldadas por una distribución global, soporte y herramientas completas de simulación y desarrollo de diseños. Los desarrolladores que busquen preparar sus diseños para el futuro también tendrán que explorar las últimas capacidades, como los controladores de puertas digitales programables, que resuelven los problemas de implementación anteriores y permiten el "ajuste" del rendimiento del sistema con una pulsación de tecla.

Primer paso: Tres pruebas clave
Un trío de pruebas proporciona los datos para evaluar la fiabilidad de los dispositivos de SiC: la capacidad de avalancha, la capacidad de soportar cortocircuitos y la fiabilidad del diodo del cuerpo del MOSFET de SiC.
Una capacidad de avalancha adecuada es fundamental: incluso un pequeño mal funcionamiento de un pasivo puede provocar picos de tensión transitoria que superen la tensión límite nominal, lo que en última instancia provocaría el fallo del dispositivo o, posiblemente, de todo el sistema. Los MOSFET de SiC con una capacidad de avalancha adecuada reducen la necesidad de circuitos de protección y prolongan la vida útil de las aplicaciones. Las opciones mejor calificadas demuestran una elevada capacidad UIS de hasta 25 julios por centímetro cuadrado (J/cm2). Estos dispositivos muestran poca degradación paramétrica incluso después de 100.000 ciclos de pruebas UIS repetitivas (RUIS).
La segunda prueba clave es el tiempo de resistencia al cortocircuito (SCWT), o el tiempo máximo antes de que el dispositivo falle en una condición de cortocircuito de carril a carril. El resultado debe ser similar al de los IGBT utilizados en aplicaciones de conversión de energía, la mayoría de los cuales tienen un SCWT de 5 a 10 microsegundos (us). Garantizar un SCWT suficiente permite a los sistemas la oportunidad de atender a condiciones de fallo sin dañar el sistema.
Un tercer parámetro clave es la estabilidad de la tensión directa del diodo intrínseco del MOSFET de SiC. Esto puede variar sustancialmente de un proveedor a otro. Sin un diseño de dispositivo, un procesamiento y unos materiales adecuados, la conductividad de este diodo puede degradarse durante el funcionamiento, provocando un aumento de la resistencia de drenaje-fuente en estado ON (RDSon). La figura 1 arroja algo de luz sobre las diferencias existentes. En un estudio realizado por la Universidad Estatal de Ohio, se evaluaron MOSFETs de tres proveedores. En un extremo de los resultados, todos los dispositivos del proveedor B mostraron una degradación en la corriente de avance, mientras que en el otro, no se observó ninguna degradación en los MOSFET del proveedor C.
Figura 1: Características de avance de los MOSFET de SiC, que muestran las diferencias en la degradación del cuerpo ded diodo según el proveedor. Fuente: Dr. Anant Agarwal y Dr. Min Seok Kang, Universidad Estatal de Ohio.
Una vez validada la fiabilidad del dispositivo, el siguiente paso es evaluar el ecosistema que rodea a estos dispositivos, incluida la amplitud de opciones de productos, una cadena de suministro sólida y el soporte al diseño.

Suministro, soporte y diseño a nivel de sistema
En un número cada vez mayor de proveedores de SiC, las empresas de SiC actuales pueden variar en las opciones de dispositivos, además de la experiencia y la infraestructura para dar soporte y suministrar a muchos mercados de SiC exigentes, como el de la automoción y el aeroespacial y de defensa.
Los diseños de los sistemas de alimentación pasan por una mejora continua a lo largo del tiempo y dentro de las diferentes generaciones de ese diseño. Las aplicaciones de SiC no son diferentes. Las primeras generaciones de diseños pueden utilizar productos de alimentación discretos, ampliamente disponibles y estándar, dentro de opciones de encapsulado de montaje superficial o pasante muy estándar. A medida que aumenta el número de aplicaciones y los diseñadores se centran en reducir el tamaño, el peso y el coste, suelen trasladar sus diseños a módulos de alimentación integrados o pueden optar por una asociación tripartita. Estas asociaciones tripartitas incluyen el equipo de diseño del producto final, un fabricante de módulos y un proveedor de pastilla de SiC. Cada uno de ellos desempeña un papel fundamental en la consecución de los objetivos generales del diseño.
Los problemas de la cadena de suministro son una preocupación clave y legítima en el mercado del SiC, que crece rápidamente. El material del sustrato de SiC es el más costoso dentro del flujo de fabricación de la pastilla de SiC. Además, la fabricación de SiC requiere un equipo de fabricación de alta temperatura que no es necesario para el desarrollo de productos de potencia y CIs basados en silicio. Los diseñadores deben asegurarse de que los proveedores de SiC cuentan con un sólido modelo de cadena de suministro que incluya múltiples ubicaciones de fabricación en caso de catástrofes naturales o problemas importantes de rendimiento para garantizar que el suministro pueda satisfacer siempre la demanda. Además, muchos proveedores de componentes ponen fin a la vida útil de generaciones anteriores de dispositivos, lo que obliga a los diseñadores a dedicar tiempo y recursos a rediseñar una aplicación existente en lugar de desarrollar nuevos diseños innovadores que ayuden a reducir los costes del producto final y a aumentar los ingresos.
El apoyo al diseño también es fundamental, ya que incluye herramientas de simulación y diseños de referencia que ayudan a reducir los tiempos del ciclo de desarrollo. Gracias a las soluciones para abordar el control y el accionamiento de los dispositivos SiC, los desarrolladores pueden explorar nuevas capacidades, como la conmutación aumentada, para aprovechar todo el valor de un enfoque de sistema total. La figura 2 muestra un diseño de sistema basado en el SIC con un controlador de puerta digital programable integrado que acelera aún más el tiempo de producción y crea nuevas formas de optimizar los diseños.

 
Figura 2: Las placas adaptadoras de módulos combinadas con los núcleos de controladores de puerta proporcionan una plataforma para evaluar y optimizar rápidamente los nuevos dispositivos de potencia SiC mediante la conmutación aumentada.

Nuevas opciones para la optimización del diseño


Las opciones de controladores de puerta digitales programables maximizan las ventajas del SiC a través de la conmutación aumentada. Permiten una fácil configuración de los tiempos de encendido y apagado de los MOSFET de SiC y de los niveles de tensión para que los diseñadores puedan acelerar la conmutación y aumentar la eficiencia del sistema, al tiempo que reducen el tiempo y la complejidad asociados al desarrollo de los controladores de puerta. En lugar de modificar manualmente la placa de circuito impreso, los desarrolladores pueden utilizar el software de configuración para optimizar sus diseños basados en SiC con sólo pulsar una tecla, preparándolos para el futuro al tiempo que aceleran el tiempo de salida al mercado y aumentan la eficiencia y la protección contra fallos.

Figura 3: El uso de controladores de puerta digitales programables para implementar las últimas técnicas de conmutación aumentada ayuda a resolver los problemas de ruido del SiC, acelera la respuesta a los cortocircuitos, ayuda a gestionar los problemas de sobretensión y minimiza el sobrecalentamiento.


Los primeros en adoptar el SiC ya están obteniendo beneficios en los sectores de la automoción, la industria y la industria aeroespacial y de defensa, a medida que crece su adopción en aplicaciones más amplias. El éxito seguirá dependiendo de la capacidad de validar la fiabilidad y resistencia de los dispositivos de SiC. A medida que los desarrolladores adopten una estrategia de solución total, necesitarán acceder a carteras integrales respaldadas por una cadena de suministro global completa y fiable y a todas las herramientas de simulación de diseño y desarrollo necesarias. Además, tendrán nuevas oportunidades para asegurar sus inversiones en el futuro gracias a las nuevas capacidades de optimización del diseño configurable por software que permite el control de puertas digitales programables.

Por Orlando Esparza, Director de Marketing Estratégico de Microchip

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