En el mundo de la electrónica de potencia, cuanto más, grande, mejor. Esto se cumple especialmente en los sistemas de potencia de alta tensión, donde los diseñadores tratan de introducir mejoras en la tecnología de semiconductores para cubrir la demanda, por parte de los clientes, de convertidores más pequeños, ligeros, fiables y eficientes, y menos costosos. Los MOSFET y los IGBT de silicio exigen concesiones; por ejemplo, hay que seleccionar entre el diseño más fiable o el más eficiente, pero no ambos.

Los MOSFET de carburo de silicio (SiC) de alta tensión son la clave que necesitan los diseñadores para liberarse de las limitaciones del silicio.

Figura 1. Una flota entera de vehículos electrificados de uso profesional aprovechará las ventajas de los MOSFET de SiC de alta tensión.

Durante cerca de dos décadas se han comercializado dispositivos de potencia de SiC con tensiones nominales de 650 a 1200V. Esto ha permitido por fin que los diseñadores introduzcan unos avances disruptivos en las tecnologías y el equipamiento final, mejorando simultáneamente su rendimiento, fiabilidad, tamaño, peso e incluso coste. El reciente anuncio de una familia de productos de SiC de 1700V extiende las numerosas ventajas del SiC a la cadena de suministro con el fin de cambiar el paradigma de la conversión de potencia en nuevos segmentos finales, como la electrificación de vehículos comerciales y pesados, la tracción y la alimentación auxiliar de trenes ligeros, las energías renovables y los accionamientos industriales.
En este artículo se describen con detalle las ventajas que ofrecen los MOSFET de SiC de 1700V respecto a las soluciones de silicio en diferentes niveles de potencia, desde vatios hasta megavatios.

De decenas a centenares de vatios
Para un nivel de potencia tan bajo, ¿qué necesidad existe de un transistor de 1700V? Aunque solo hay una, es omnipresente: la fuente de alimentación auxiliar, que se encuentra en todos los sistemas de electrónica de potencia, es primordial para el funcionamiento de los accionamientos de motores industriales, vehículos eléctricos, centros de datos y alimentación de reserva, inversores solares e infraestructura de carga, entre otras aplicaciones. La alimentación auxiliar es crítica para el sistema porque alimenta los drivers de puerta, los circuitos de detección y control, y los ventiladores de refrigeración; por tanto, la alimentación auxiliar no puede fallar y se deben mitigar los riesgos asociados.
Dado que estas fuentes de alimentación conmutadas de baja potencia y aisladas se utilizan en diversas aplicaciones y en todo el mundo, deben admitir un amplio rango de altas tensiones CC de entrada (300 a 1000V) y suministrar una baja tensión de salida (5 a 48V). Quizás el método más potente para disminuir los fallos sea el diseño de un circuito simplificado. Como muestra la Figura 2, el diseño de circuito más fiable es la topología de retroceso (flyback) con un solo interruptor (Fig. 2, derecha), que destaca por su sencillez y un menor número de componentes que ofrece la ventaja añadida de reducir el coste total.
La llegada de los MOSFET de SiC de 1700V proporciona una solución ideal para la alimentación auxiliar. Estos dispositivos, caracterizados por su alta tensión de ruptura, menor resistencia en conducción y rápida velocidad de conmutación, son muy adecuados para la topología de retroceso con un solo interruptor. En cambio, las soluciones basadas en silicio se caracterizan por una tensión nominal demasiado baja, que necesita una arquitectura de dos interruptores (como la mostrada en la Figura 2, izquierda) y duplica la posibilidad de fallo, o bien su tensión nominal es adecuada pero su rendimiento es bajo. Además hay pocos suministradores y su precio es más elevado si se compara con el SiC.
Junto con su mejor fiabilidad, técnica más sencilla de control, menor número de componentes y coste más bajo, una fuente auxiliar que utilice MOSFET de SiC de 1700V también puede ser más pequeña. La resistencia en conducción normalizada (Ron,sp) de los MOSFET de SiC es mucho más baja que en los MOSFET de silicio. Esto significa que se pueden utilizar encapsulados más pequeños porque la pastilla de material semiconductor también lo es. Las pérdidas en conducción también son más bajas, lo cual en última instancia puede disminuir a su vez el tamaño de los disipadores de calor, o incluso eliminarlos. Además, los MOSFET de SiC tienen unas pérdidas en conmutación más bajas y ello simplifica la reducción del tamaño del transformador, así como su peso y su coste, ya que se incrementa la frecuencia de conmutación.

Figura 2. La topología con dos interruptores (izquierda) que utiliza transistores de silicio se puede sustituir por una topología de retroceso o flyback (derecha) con un solo interruptor, que es mucho más sencilla, mejora el rendimiento y su coste es más bajo gracias a los MOSFET de SiC de 1700V.

De decenas a centeneres de kilovatios
Si pasamos a potencias más altas, los MOSFET de SiC de 1700V también ofrecen muchas ventajas respecto a los MOSFET y los IGBT de silicio en aplicaciones entre decenas y centenares de kilovatios. Algunos ejemplos son inversores de cadena y centrales para energía solar, equipos de alimentación auxiliar en vehículos comerciales de transporte, calentamiento por inducción y máquinas de soldadura, accionamientos industriales y convertidores eólicos, entre otros.
A medida que aumenta la potencia procesada también lo hacen los efectos de la mayor rapidez y la conmutación más eficiente del SiC. Si se comparan con los IGBT de silicio, los MOSFET de SiC reducen las pérdidas en conmutación en un promedio del 80%, permitiendo así que los convertidores incrementan la frecuencia de conmutación y disminuyen el tamaño, el peso y el coste de los voluminosos y caros transformadores. Y aunque las pérdidas en conducción de los MOSFET de SiC y los IGBT de silicio son similares con cargas elevadas, muchas aplicaciones destinan la mayor parte de su vida útil a funcionar con “cargas ligeras”. Estos son algunos ejemplos: inversores solares que funcionan en días nublados o en zonas de sombra; convertidores para turbinas eólicas en días sin viento; o puertas de trenes (abiertas/cerradas por fuentes auxiliares de transporte) que están cerradas casi todo el tiempo. Con estas cargas ligeras tan comunes, los MOSFET de SiC ofrecen menores pérdidas en conducción para complementar sus pérdidas reducidas en conmutación y permiten por tanto disminuir la disipación del calor y otras medidas de gestión térmica.
Desde el punto de vista de la fiabilidad, los MOSFET de SiC ofrecen a los diseñadores la capacidad de simplificar la topología del circuito y la técnica de control, así como reducir el número de componentes, todo ello relacionado desde luego con un coste más bajo. La necesidad de una potencia más elevada por parte de estos convertidores de potencia media hace que se utilice una mayor tensión CC del bus, generalmente entre 1000 y 1300V. Al seleccionar transistores de silicio para estas altas tensiones CC de enlace, la eficiencia necesaria exige a los diseñadores escoger entre unas pocas arquitecturas complejas de los circuitos de tres niveles. En la Figura 3 se pueden ver el circuito con diodo de punto neutro bloqueado (NPC), el circuito NPC activo (ANPC) y el circuito de tipo T. En cambio, los MOSFET de SiC de 1700V permiten a los diseñadores liberarse de estas limitaciones y volver al circuito más elegante de dos niveles mostrado en la parte derecha de la Figura 3. De este modo se puede dividir entre dos el número de dispositivos y optimizar el control.

Figura 3. Las complicadas topologías de circuitos con tres niveles (izquierda) que usan IGBT de silicio se pueden simplificar a la topología más elegante y fiable de dos niveles (derecha) empleando la mitad  (o menos) módulos de MOSFET de SiC de 1700V.

Vale la pena mencionar la importancia que tienen el encapsulado de potencia y el control apropiado de la puerta en los MOSFET de SiC. Dado que los SiC pueden conmutar altos niveles de potencia a muy alta velocidad hay que tener cuidado para evitar picos de tensión y reducir las emisiones de ruido. Los convertidores de media potencia en estas aplicaciones desconectan en muchos casos cientos de amperios en un bus de 1000-1300V en menos de un microsegundo y requieren le inductancia de encapsulado más baja posible, drivers inteligentes de activación rápida para la puerta, y un trazado óptimo del sistema.
La unión del encapsulado de potencia SP6LI y la familia de drivers de puerta digitales AgileSwitch® de Microchip Technology ofrece a los diseñadores unas soluciones preparadas para sacar el máximo rendimiento a los MOSFET de SiC de 1700V sin dificultad.

Megavatios
Para potencias de varios megavatios, los principales factores del diseño son la facilidad de escalabilidad y el mantenimiento mínimo, que fomentan el uso de soluciones modulares basadas en una célula unidad básica. Como se puede ver en la Figura 4, estas células, denominadas a veces bloques electrónicos de potencia o submódulos, se configuran como convertidores de medio puente en cascada o convertidores modulares multinivel (MMC). Entre las aplicaciones del orden de megavatios se encuentran los transformadores de estado sólido (SST), los sistemas distribuidos de media tensión CC, sistemas de potencia de tracción en vehículos comerciales y pesados, inversores solares centrales y convertidores eólicos en alta mar, así como sistemas de conversión de potencia en buques.

Históricamente, los dispositivos semiconductores de potencia utilizados en estas células unidad han sido IGBT de silicio de 1200 a 1700V. De forma muy parecida a las aplicaciones con potencias más bajas, el uso de MOSFET de SiC de 1700V al nivel de la célula amplía su capacidad de manejo de potencia y su rendimiento eléctrico. Como se ha señalado antes, los MOSFET de SiC de 1700V tienen unas pérdidas en conducción mucho más bajas, lo cual permite incrementar la frecuencia de conmutación y reducir enormemente el tamaño de cada célula unidad. A ello se suma que la elevada tensión de bloqueo de 1700V disminuye el número de células unidad necesarias para la misma tensión CC del enlace, lo cual aumenta la fiabilidad del sistema y recorta el coste.

Figura 4. (Izquierda) Convertidor modular multinivel con varias células para alcanzar la potencia requerida y (derecha) dos ejemplos de cómo se puede usar una sencilla configuración de célula unidad de dos niveles con los MOSFET de SiC de 1700V.

Resumen
La llegada de los MOSFET de SiC de 1700V es beneficiosa para diversas aplicaciones y equipos finales ya que ofrecen una mayor fiabilidad con un coste reducido, incluso simultáneamente para que los convertidores sean más pequeños, ligeros y eficientes. Desde vatios hasta megavatios, los MOSFET de SiC de alta tensión permiten a los diseñadores superar las limitaciones del silicio e introducir enormes mejoras en los sistemas de conversión de potencia. Junto con los dispositivos de potencia de SiC más robustos del mercado, el encapsulado avanzado de potencia con una inductancia parásita ultrabaja y los drivers de puerta digitales ayudan a los diseñadores aprovechar al máximo el SiC y a acelerar el plazo de comercialización.
Microchip Technology ha ampliado su catálogo de SiC con la presentación de los MOSFET de SiC de
3,3 kV con la resistencia en conducción [RDS(on)] más baja del mercado y los SBD (diodos de barrera Schottky) de SiC con la corriente nominal más elevada, permitiendo así que los diseñadores aprovechan su robustez, fiabilidad y rendimiento. Los MOSFET y SBD de 3,3 kV de Microchip complementan la extensa gama de productos de SiC de la compañía, formada por dispositivos sin encapsular, discretos, módulos y drivers de puerta digitales de 700V, 1200V y 1700V.

AUTOR: Xuning Zhang y Kevin Speer, Microchip Technology 

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