Recientemente se ha prestado mucha atención al carburo de silicio (SiC) y a su posible uso en electrónica de potencia, pero esto también ha generado algunas ideas erróneas. Este artículo pretende aclararlas para que los ingenieros puedan tener más confianza a la hora de utilizar dispositivos de SiC en el futuro.

Aplicaciones
Algunas de las confusiones que rodean al SiC están relacionadas con las aplicaciones en las que puede utilizarse. Por ejemplo, algunos diseñadores creen que los MOSFET de SiC deben utilizarse para sustituir a los IGBT, mientras que los dispositivos de nitruro de galio (GaN) deben sustituir a los MOSFET de silicio.

Sin embargo, los MOSFET de SiC de 650 V ofrecen un rendimiento excelente con una cifra de mérito RDS_(ON)*Qg competitiva y una carga de recuperación inversa mínima. Esto convierte al SiC en una excelente alternativa a los MOSFET de silicio en aplicaciones de hard switching, como la corrección del factor de potencia en tótems (TPPFC) o el boost síncrono. Algunos ingenieros creen que el SiC no es adecuado para aplicaciones de alta frecuencia y que en su lugar debería utilizarse el GaN para conmutación rápida. Sin embargo, los últimos avances tecnológicos han reducido el área de la pastilla de SiC, lo que aumenta aún más su idoneidad para el funcionamiento a alta frecuencia (>100 kHz). Como resultado, los dispositivos de SiC se utilizan ahora con éxito en aplicaciones como TPPFC a 100 kHz y LLC de soft switching a frecuencias entre 200 y 300 kHz. Además, tecnologías emergentes como los MOSFET de SiC trench y Cascoded mejorarán aún más su rendimiento a alta frecuencia. Por último, otros ingenieros creen que el SiC es una tecnología de nicho basada en su éxito en los inversores de tracción para vehículos eléctricos. Sin embargo, la necesidad de una mayor densidad de potencia y un funcionamiento eficiente en casi todos los sectores significa que las ventajas del SiC también pueden beneficiar a una amplia gama de diseños menos complejos, como los cargadores a bordo (OBC) de los VE, los módulos solares fotovoltaicos (FV) y las energías renovables, así como el cloud computing.

Figura 1: Imagen de una oblea de SiC

Selección del dispositivo y funcionamiento
Muchos diseñadores utilizan una tensión de puerta de apagado (turn-off gate voltage) negativa para evitar que los dispositivos de SiC "reboten" o se vuelvan a encender inadvertidamente debido a transitorios de conmutación, pero esto no es un requisito estricto. Muchos ejemplos de diseños de SiC que han tenido éxito no tienen una tensión de puerta negativa. Sin embargo, como en todos los diseños, deben seguirse buenas prácticas, como un diseño ajustado que minimice los efectos parásitos. Además, el controlador de puerta debe ser capaz de absorber suficiente corriente para mantener el dispositivo apagado firmemente. Un controlador de puerta aislado de la unión puede ser aceptable en un número limitado de aplicaciones, como TPPFC. Sin embargo, cabe señalar que los controladores de puerta aislados galvánicamente ofrecen una mayor inmunidad al ruido y pueden manejar mejor los transitorios dv/dt del nodo de conmutación, evitando falsos disparos. Dado que los MOSFET de SiC conmutan rápidamente y tienen una carga de puerta (Qg) inferior a la de los dispositivos de silicio equivalentes, un controlador de puerta aislado galvánicamente proporciona un diseño más robusto, incluso en aplicaciones que no lo requieren estrictamente. En la actualidad, muchos controladores de SiC ofrecen funciones muy prácticas, como accionamiento negativo de puerta, DESAT, OCP, OTP y otras protecciones. Seleccionar el controlador de puerta adecuado hace que controlar un dispositivo de SiC no sea más difícil que controlar un MOSFET de silicio.

Economía, ecosistema y cadena de suministro del SiC
Existe la percepción errónea de que las soluciones de SiC son caras. En comparación con los MOSFET de silicio, el precio de un dispositivo de SiC es ligeramente superior; sin embargo, consideremos una solución de potencia típica de 30 kW basada en silicio. Aquí, el 90% del coste total se encuentra en los inductores y condensadores (60% y 30%, respectivamente), y los dispositivos semiconductores representan sólo el 10% del coste total de la lista de materiales (BOM). Supongamos que los MOSFET de silicio se sustituyen por conmutadores de SiC. En ese caso, la capacitancia y la inductancia se reducirán en un 75%, lo que supone una importante reducción de costes (y de tamaño) que compensa el aumento de coste de los componentes de conmutación. Además, los dispositivos de silicio ofrecen menor eficiencia que los de SiC, por lo que requieren soluciones de disipación térmica caras y voluminosas. En consecuencia, el coste total de la lista de materiales de una solución de SiC es inferior al de un equivalente de silicio.

Economía, ecosistema y cadena de suministro de SiC
Existe la percepción errónea de que las soluciones de SiC son caras. En comparación con los MOSFET de silicio, el precio de un dispositivo de SiC es ligeramente superior; sin embargo, consideremos una solución típica de 30 kW basada en silicio. Aquí, el 90% del coste total se encuentra en los inductores y condensadores (60% y 30%, respectivamente), y los dispositivos semiconductores representan sólo el 10% del coste total de la lista de materiales (BOM). Supongamos que los MOSFET de silicio se sustituyen por interruptores de SiC. En ese caso, la capacitancia y la inductancia se reducirán en un 75%, lo que supone una importante reducción de costes (y de tamaño) que compensa el aumento de coste de los componentes de conmutación. Además, los dispositivos de silicio ofrecen menor eficiencia que los de SiC, por lo que requieren soluciones de disipación térmica caras y voluminosas. En consecuencia, el coste total de la lista de materiales de una solución de SiC es inferior al de un equivalente de silicio.

El ecosistema del SiC evoluciona rápidamente a medida que la tecnología se generaliza. En la actualidad, existe una amplia gama de dispositivos de SiC y controladores de puerta asociados disponibles en el mercado, con distintos tipos de encapsulado para adaptarse a múltiples aplicaciones. La base de conocimientos sobre SiC está aumentando en todo el sector a medida que los fabricantes incrementan su apoyo a través de equipos de ingeniería de aplicaciones, diseños de referencia, notas de aplicación, modelos de simulación y herramientas. La disponibilidad de componentes (no sólo SiC) ha sido recientemente un problema para algunos sectores. Sin embargo, tras la reciente adquisición de GTAT, la cadena de suministro de onsemi es mucho más robusta. onsemi es el único proveedor a gran escala con capacidad de suministro de SiC de extremo a extremo, incluyendo crecimiento de boule de SiC, sustrato, epitaxial, fabricación de dispositivos, los mejores módulos integrados de su clase y soluciones de encapsulados discretos. Para apoyar el crecimiento previsto del SiC en los próximos años, onsemi tiene previsto quintuplicar la capacidad de fabricación de dispositivos y módulos de la empresa hasta duplicarla en todos los centros de producción hasta 2023. Y de nuevo, casi duplicará su capacidad en 2024, con la posibilidad de volver a crecer en función de las necesidades.

Figura 2: Cadena de suministro extremo a extremo de onsemi

Robustez a altas temperaturas y tensiones
Los semiconductores de banda ancha (wide-bandgap, WBG) proporcionan una mayor robustez frente a avalanchas en los MOSFET de SiC, ya que la concentración generada térmicamente es mucho menor que la de los dispositivos de silicio. Si bien es cierto que los dispositivos de SiC tienen geometrías más pequeñas, por lo que su tiempo de resistencia al cortocircuito es menor que el de un IGBT, el uso de un controlador de puerta de SiC adecuado garantiza la detección del fallo y la desconexión del dispositivo con un amplio margen, por lo que pueden utilizarse con confianza en aplicaciones en las que se requiere robustez. El voltaje de la batería de muchos vehículos eléctricos está pasando de 400 V a 800 V o 1.000 V. En los sistemas solares fotovoltaicos (FV), el voltaje de entrada está aumentando de 600 V a 1500 V. Para satisfacer esta necesidad de dispositivos con voltajes de ruptura más altos, onsemi ha desarrollado una gama de dispositivos MOSFET planares EliteSiC M1 de 1700 V optimizados para aplicaciones de conmutación rápida. Junto a estos MOSFET, también ha lanzado una gama de diodos Schottky de SiC de 1700 V.

Figura 3: MOSFET planar EliteSiC M1 de 1700 V

Conclusión

Una vez analizados los dispositivos de silicio y carburo de silicio a través de diversas métricas, queda claro que muchos conceptos erróneos generalizados carecen de base real, y que los ingenieros deberían tener confianza a la hora de seleccionar y aplicar esta versátil tecnología en sus diseños.

Autor: Ajay Hari, Director de Aplicaciones, onsemi

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