Semiconductores de potencia de SiC y GaN: por qué la banda prohibida ancha permite la velocidad.

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0. Lo que explica este artículo

Por qué los materiales de banda prohibida ancha (WBG) permiten altas temperaturas, voltajes y velocidades de conmutación.
Estructura del dispositivo, pérdidas, control de puerta e inductancia parásita en MOSFETs de SiC y HEMTs de GaN.
Selección para vehículos eléctricos, sistemas fotovoltaicos, fuentes de alimentación para centros de datos y cargadores rápidos, incluyendo sus limitaciones.

1. Por qué son importantes el SiC y el GaN

El carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) tienen bandas prohibidas más anchas que el silicio, lo que permite interruptores más pequeños, que generan más calor y son más rápidos con la misma tensión nominal. Reemplazar el material no elimina las pérdidas: es necesario rediseñar el controlador de puerta, el diseño, el calor, la EMI y la fiabilidad.

2. La ventaja del material

Una banda prohibida ancha suprime los portadores generados térmicamente y favorece el funcionamiento a altas temperaturas. Un campo crítico amplio ( $E_{crit}$ ) soporta la misma tensión en una capa de deriva más delgada y puede reducir la resistencia de encendido. Un parámetro conceptual de Baliga para alta frecuencia es:

BFOM\propto\varepsilon\mu E_{crit}^{3}

con permitividad ( $\varepsilon$ ) y movilidad ( $\mu$ ). Las pérdidas reales del dispositivo incluyen pérdidas por conducción ( $P_{cond}=I^2R_{on}$ ) y pérdidas por conmutación,

P_{sw}\simeq\frac{1}{2}VI(t_{on}+t_{off})f_s

así como la carga de puerta, la capacitancia de salida, la recuperación inversa y los efectos parásitos del encapsulado.

3. Arquitectura básica

Figura 1 — El rendimiento de la rejilla de Bragg de puerta (WBG) es una cadena que va desde el material hasta el dispositivo, el control de puerta, el diseño y el diseño térmico.

4. MOSFET de SiC

Los MOSFET de SiC admiten estructuras verticales de alto voltaje y evitan la corriente de cola del IGBT, lo que reduce las pérdidas de desconexión. Se utilizan en inversores de tracción para vehículos eléctricos, sistemas de control de potencia fotovoltaicos (PV PCS) y fuentes de alimentación industriales y ferroviarias, desde cientos de voltios hasta kilovoltios. La recuperación inversa del diodo intrínseco, la resistencia a cortocircuitos, la fiabilidad del óxido de puerta y la deriva del umbral no se pueden obtener únicamente a partir de datos estáticos.

5. HEMT de GaN

Los HEMT de GaN utilizan un gas de electrones bidimensional de alta densidad en una interfaz AlGaN/GaN. La baja carga de puerta y la alta movilidad de los electrones hacen que el funcionamiento a alta frecuencia sea atractivo en la clase de unos pocos cientos de voltios: adaptadores de CA, Fuentes de alimentación para servidores, alimentación inalámbrica y convertidores automotrices auxiliares. La resistencia de encendido dinámica, la sobretensión de puerta, los picos de conmutación brusca y el retardo de propagación del controlador aislado son variables de diseño complejas.

6. Comparación de dispositivos

Material/dispositivo	Punto óptimo	Beneficio principal	Punto a considerar
MOSFET de silicio	Voltaje bajo a medio, bajo costo	Producción y control maduros	$R_{on}$ y aumento de capacitancia a alto voltaje
IGBT de silicio	Voltaje medio/alto, alta potencia	Costo, resistencia a cortocircuitos, historial de campo	La corriente de cola limita la frecuencia
MOSFET de carburo de silicio	Alto voltaje, alta temperatura, varias decenas de kHz	Bajas pérdidas de conducción y conmutación	Óxido, cortocircuito, ruido de puerta, costo
HEMT de GaN	Unos cientos de voltios, alta frecuencia	Baja carga de puerta, pequeños componentes magnéticos	$R_{on}$ dinámico, parásitos, ventana de control estrecha

7. Efectos secundarios de Velocidad

Aumentar la velocidad de conmutación incrementa la sobretensión debida a la inductancia parásita $L_p$ ,

V_{overshoot}=L_p\frac{di}{dt}

Por lo tanto, los bucles de alimentación y de puerta deben ser cortos. La fuente Kelvin, la resistencia de puerta, los amortiguadores RC/RCD y el control activo de puerta la limitan. Los flancos rápidos también aumentan la corriente de modo común e inyectan EMI en las comunicaciones y los sensores; el blindaje, el filtrado y la conexión a tierra deben diseñarse junto con el circuito de alimentación.

8. Calor, fiabilidad y seguridad

Estime la temperatura de la unión con

T_j=T_a+P_{loss}(R_{th,jc}+R_{th,cs}+R_{th,sa})

donde $T_a$ es la temperatura ambiente y los términos son la resistencia térmica unión-encapsulado, encapsulado-sumidero y sumidero-ambiente. La rejilla de Bragg de puerta (WBG) no elimina la resistencia térmica. Pruebe la fatiga de la soldadura y del hilo de conexión bajo ciclos de temperatura, el óxido de puerta y el aislamiento del encapsulado, y la coordinación temporal de la protección contra cortocircuitos.

9. Opciones prácticas

Tracción de vehículos eléctricos Inversor: compare la tensión, la resistencia a cortocircuitos, la refrigeración, la regeneración y la EMI durante el ciclo de conducción; verifique que la reducción de pérdidas del SiC realmente disminuye el tamaño del disipador.
Adaptadores de CA y fuentes de alimentación para servidores: El GaN puede reducir el tamaño de los componentes magnéticos mediante la frecuencia, pero primero valide el diseño y la fuga.
Sistemas de control y almacenamiento fotovoltaico: utilice la eficiencia promedio ponderada considerando la carga parcial, la bidireccionalidad, la vida útil, las piezas de servicio y los armónicos de la red.
Prototipo: nunca copie las formas de onda de la placa de evaluación sin más; incluya la inductancia de tierra de la sonda en la incertidumbre de la medición.

10. Resumen de tres líneas

El SiC y el GaN utilizan bandas prohibidas anchas y campos críticos elevados para permitir la conmutación rápida a alta tensión y alta temperatura.

Su beneficio solo se manifiesta cuando se implementan conjuntamente la carga de puerta, la recuperación inversa, la inductancia parásita, el calor y la EMI.

Defina la tensión, la frecuencia, el factor de carga y los estándares de seguridad, y luego mida si la banda prohibida ancha realmente reduce las pérdidas del sistema.

No interprete el valor de la hoja de datos de un dispositivo como la eficiencia del mismo. El convertidor completo. Las pérdidas por conducción dependen de la forma de onda de la corriente y la temperatura; las pérdidas por conmutación dependen de la superposición de voltaje y corriente, y de la frecuencia; y las pérdidas por excitación de puerta dependen de la carga de puerta y el voltaje de excitación. Compare el mismo perfil de carga, las condiciones de refrigeración y el ancho de banda de medición, incluyendo el semiconductor, los componentes magnéticos, el refrigerador y las contramedidas EMI. Verifique también el tiempo de protección contra cortocircuitos, la distancia de fuga y la distancia de aislamiento, así como el estado seguro tras una falla en condiciones de producción; la adopción debe incluir la coordinación de la protección y la facilidad de mantenimiento.

Antes de la producción, realice pruebas aceleradas a diferentes temperaturas, voltajes y factores de carga para confirmar que las mejoras de eficiencia y el margen de confiabilidad se mantienen. El resultado de una placa de evaluación no constituye una conclusión para la producción.

Compruebe su comprensión

¿El cambio a SiC o GaN mejora automáticamente la eficiencia?

La excitación de puerta, los efectos parásitos, la refrigeración y la frecuencia también determinan las pérdidas del convertidor. Distinga las propiedades del dispositivo del rendimiento del sistema.

Referencias

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