La tercera generación de semiconductores de banda prohibida ancha, representada por el carburo de silicio, puede operar con normalidad en entornos de alta temperatura, voltaje y frecuencia, consumiendo menos energía y ofreciendo mayor durabilidad y fiabilidad. Esto brindará oportunidades de gran avance para la próxima generación de productos electrónicos de potencia más pequeños, rápidos, económicos y eficientes.

El avance y la industrialización de la tecnología de dispositivos electrónicos de potencia de carburo de silicio abrirán nuevas aplicaciones en sistemas de alta tensión y tendrán un profundo impacto en la transformación del sistema eléctrico. Las excelentes características de alta eficiencia, alta tensión, alta temperatura y alta frecuencia de los dispositivos electrónicos de potencia de carburo de silicio les confieren un gran potencial de aplicación en los campos de electrodomésticos, ahorro de energía en motores, vehículos eléctricos, redes inteligentes, industria aeroespacial, exploración petrolera, automatización, radar y comunicaciones.

Introducción a los dispositivos electrónicos de potencia de carburo de silicio

1. Definición de carburo de silicio (SiC)

Los dispositivos electrónicos de potencia de carburo de silicio (SiC) son dispositivos electrónicos de potencia de banda ancha fabricados con el material semiconductor de tercera generación SiC. Se caracterizan por su alta resistencia a la temperatura, alta frecuencia y alta eficiencia. Según su forma de funcionamiento, los dispositivos electrónicos de potencia de SiC incluyen principalmente diodos de potencia y transistores de conmutación de potencia. Los diodos de potencia incluyen diodos Schottky de barrera de unión (JBS), diodos PiN y diodos de superunión; los transistores de conmutación de potencia incluyen principalmente transistores de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET), transistores de efecto de campo de unión (JFET), transistores bipolares (BJT), transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), tiristores de desconexión de puerta (GTO) y tiristores de desconexión de emisor (ETO), entre otros.

2. Ventajas técnicas

Las excelentes propiedades de los semiconductores de carburo de silicio hacen que los dispositivos electrónicos de potencia basados ​​en carburo de silicio tengan las siguientes ventajas sobresalientes en comparación con los dispositivos de silicio:

(1) Presenta una menor resistencia de encendido. Bajo un bajo voltaje de ruptura (aproximadamente 50 V), la resistencia de encendido específica de los dispositivos de carburo de silicio es de tan solo 1.12 Ω, lo que representa aproximadamente 1/100 de la de dispositivos de silicio similares. Bajo un alto voltaje de ruptura (aproximadamente 5 kV), la resistencia de encendido específica aumenta a 25.9 mΩ, lo que representa aproximadamente 1/300 de la de dispositivos de silicio similares. Una menor resistencia de encendido permite que los dispositivos electrónicos de potencia de carburo de silicio presenten menores pérdidas por conducción, logrando así una mayor eficiencia general de la máquina.

(2) Tiene un voltaje de ruptura más alto. Por ejemplo: los diodos Schottky de silicio comerciales suelen tener un voltaje nominal inferior a 300 V, pero el voltaje nominal del primer diodo Schottky de carburo de silicio comercial ha alcanzado los 600 V; el voltaje nominal del primer MOSFET de carburo de silicio comercial es de 1200 V, mientras que la mayoría de los MOSFET de silicio de uso común están por debajo de 1 kV.

(3) Una menor resistencia térmica de la unión-carcasa hace que la temperatura del dispositivo aumente más lentamente.

(4) Temperatura máxima de funcionamiento más elevada. Se espera que la estabilidad operativa extrema del carburo de silicio alcance más de 600 °C, mientras que la temperatura máxima de unión de los dispositivos de silicio es de solo 150 °C.

(5) Mayor resistencia a la radiación, lo que puede reducir el peso del equipo de blindaje contra la radiación cuando se utiliza en la aviación y otros campos.

(6) Mayor estabilidad, las características directa e inversa de los dispositivos de carburo de silicio cambian muy poco con la temperatura.

(7) Menor pérdida por trampas. Los dispositivos de carburo de silicio tienen pequeñas pérdidas de conmutación y pueden operar a frecuencias de conmutación más altas (>20 kHz) que son difíciles de lograr con dispositivos de silicio a niveles de potencia de decenas de kilovatios.

3. Categorías principales

(1) Diodo Schottky de carburo de silicio

Como dispositivo unipolar, el diodo Schottky (SBD) no presenta inyección ni almacenamiento de portadores adicionales durante el proceso de conducción, por lo que prácticamente no existe corriente de recuperación inversa. Su proceso de apagado es muy rápido y la pérdida de conmutación es mínima. Sin embargo, la barrera Schottky del silicio es baja, la corriente de fuga inversa del SBD de silicio es relativamente alta y la tensión de bloqueo es baja. Por lo tanto, solo puede utilizarse en situaciones de baja tensión, entre cien y doscientos voltios. Los diodos PiN se suelen utilizar en situaciones de mayor tensión, pero su corriente de recuperación inversa es alta y las pérdidas de conmutación también. Debido a la elevada rigidez dieléctrica crítica de ruptura por avalancha de los materiales de carburo de silicio, es relativamente fácil fabricar SBD de carburo de silicio con una tensión de ruptura inversa superior a 1000 V.

Basándose en estas ventajas únicas del SiC, fabricantes de dispositivos semiconductores como Cree producen diodos Schottky de SiC de alto voltaje con un nivel de corriente de dispositivo único de 1-20A y niveles de voltaje de 300V, 600V y 1200V. La Tabla 1 muestra los principales fabricantes internacionales actuales de SBD de carburo de silicio y el nivel de sus dispositivos comerciales. Cree acaba de lanzar su último SBD de carburo de silicio con un nivel de voltaje de 1700V. En aplicaciones de conmutación de alto voltaje, los diodos Schottky de SiC proporcionan un rendimiento casi ideal. Tienen un voltaje de recuperación directa casi nulo, por lo que pueden encenderse inmediatamente. A diferencia de la capacitancia de unión, su carga almacenada también es muy pequeña, y pueden apagarse rápidamente.

(2) Transistor de potencia de carburo de silicio

La empresa estadounidense SemiSouth ha realizado una investigación exhaustiva sobre los transistores JFET de carburo de silicio y actualmente es el principal proveedor mundial de dispositivos JFET de carburo de silicio de uso comercial. La tensión máxima de sus transistores JFET de SiC alcanza los 1700 V y la corriente máxima es de 30 A.

Debido a las características superiores y las aplicaciones exitosas de los MOSFET de silicio, los MOSFET de carburo de silicio se han convertido en el dispositivo más popular en la investigación de dispositivos electrónicos de potencia de carburo de silicio. La empresa estadounidense Cree tomó la delantera en los avances en la investigación de MOSFET de carburo de silicio y lanzó dos productos comerciales de MOSFET de carburo de silicio, 10A/1200V y 20A/1200V, convirtiéndose en el único fabricante en el mundo en proporcionar MOSFET discretos de carburo de silicio comerciales. La corporación japonesa Rohm también está promoviendo activamente el proceso de comercialización de su MOSFET de carburo de silicio. Estos primeros DMOSFET de canal N de SiC estaban dirigidos principalmente a aplicaciones de 1200V. Los MOSFET de SiC a este nivel de voltaje tienen mayores ventajas que los dispositivos de Si actuales.

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Estado de desarrollo de los dispositivos de carburo de silicio en el extranjero 1. Estados Unidos

Ya en 1997, en el "Plan Nacional de Defensa y Ciencia" formulado, Estados Unidos definió claramente los objetivos de desarrollo de los semiconductores de banda prohibida ancha. En 2014, el presidente Obama lideró personalmente la creación de la alianza industrial de semiconductores de banda prohibida ancha de tercera generación, representada por SiC, para apoyar plenamente esta tecnología e impulsar la innovación tecnológica en la próxima generación de fabricación de electrónica de potencia. La alianza ha recibido hasta la fecha un total de 140 millones de dólares en apoyo de los gobiernos federal y locales. Su objetivo es lograr que la tecnología de semiconductores de banda prohibida ancha sea competitiva en costes con la tecnología actual de electrónica de potencia basada en silicio en los próximos cinco años, convirtiéndose en la próxima generación de chips y dispositivos electrónicos de potencia de alta potencia, eficientes y de bajo consumo energético. Liderará muchos de los mercados industriales más grandes y de mayor crecimiento del mundo, como la electrónica de consumo, los equipos industriales, las comunicaciones y las energías limpias, mejorando integralmente la competitividad internacional y creando empleos bien remunerados.

2. Japón

Desde 1998, el gobierno japonés ha financiado la investigación sobre la tecnología de semiconductores de banda prohibida ancha. En 2013, Japón incluyó el sistema de materiales SiC en la "Estrategia del Primer Ministro", convencido de que el 50% del ahorro energético futuro se logrará mediante dispositivos SiC para dar paso a una nueva era de energía limpia. En los últimos años, la Organización Japonesa para el Desarrollo de Tecnologías Industriales de Nuevas Energías (NEDO) ha puesto en marcha un plan de investigación relacionado con los dispositivos electrónicos de potencia SiC, centrándose en la aplicación de módulos de potencia SiC en sistemas de circuitos de locomotoras ferroviarias, diversos sistemas de intercambio de energía, generación de energía y sistemas integrados de recuperación de calor residual de turbocompresores eléctricos, equipos médicos de vanguardia y miniaturización de aceleradores, con el fin de alcanzar los objetivos de conservación de energía y mejora de la eficiencia.

3. Unión Europea

En 2014, la Unión Europea lanzó un programa de investigación trienal (2014-2017) sobre tecnología de potencia SiC para sistemas de potencia de alta eficiencia (SPEED), con una inversión total de 18.58 millones de euros. Doce instituciones de investigación y empresas de siete países participaron en el programa. El objetivo es impulsar conjuntamente la tecnología de dispositivos electrónicos de potencia SiC, reuniendo a los principales fabricantes e investigadores del mundo, superar los obstáculos técnicos de toda la cadena de valor de la industria de dispositivos electrónicos de potencia SiC y lograr una amplia aplicación en el sector de las energías renovables. En 2015, el Ministerio Federal de Investigación de Alemania financió al Instituto Tecnológico de Karlsruhe y a socios industriales (con una financiación de 800,000 euros) la investigación para mejorar la eficiencia energética de las fuentes de alimentación de alta frecuencia basadas en dispositivos de conmutación SiC, con el fin de optimizar la eficiencia energética de las fuentes de alimentación en la producción industrial, reducir el consumo de energía y disminuir las emisiones de CO2. 03

Estado de desarrollo de los dispositivos de carburo de silicio en China

1. Tyco Tianrun

Tyco Tianrun se fundó en 2011. Su línea de productos incluye productos de tecnología básica, productos moldeados de carburo de silicio y diversas soluciones para la industria. Los productos básicos son los diodos Schottky de carburo de silicio.

En 2015, Tyco Tianrun anunció el lanzamiento de un diodo Schottky de carburo de silicio de alta potencia de 3300 V/50 A. Según los informes, el producto presenta características como baja caída de tensión directa, alta velocidad de conmutación y excelente conductividad térmica, y es adecuado para sectores de alta gama como el transporte ferroviario y las redes inteligentes.

Según los informes, la caída de tensión directa típica de un diodo Schottky de carburo de silicio de alta potencia de 3300 V/50 A es de 2.22 V (IF=50 A, Tj=25 ℃) y 4.75 V (IF=50 A, Tj=175 ℃); la corriente de fuga inversa típica es de 120 µA (VR=3300 V, Tj=25 ℃) y 200 µA (VR=3300 V, Tj=175 ℃); maximiza la fiabilidad en entornos eléctricos adversos; puede funcionar normalmente en el rango de temperatura de -55 ℃ a 175 ℃. Los productos están disponibles como chips desnudos sin encapsular, y los tipos de encapsulado del dispositivo se pueden personalizar según los requisitos del cliente.

2. Shenzhen Basic Semiconductors

Shenzhen Basic Semiconductor se fundó en 2016 y se dedica a la investigación, el desarrollo y la industrialización de dispositivos de potencia de carburo de silicio. Es una de las empresas impulsoras del Instituto de Investigación de Semiconductores de Tercera Generación de Shenzhen. Shenzhen Basic Semiconductor Co., Ltd. se ha centrado durante mucho tiempo en la investigación y el desarrollo de dispositivos de potencia de SiC. Sus principales productos incluyen diodos de SiC, MOSFET de SiC y módulos MOSFET de SiC completos de grado automotriz, que se utilizan ampliamente en la generación de energía renovable, vehículos de energía renovable, transporte ferroviario y redes inteligentes.

El MOSFET de carburo de silicio de 1200 V, lanzado oficialmente por Basic Semiconductor en octubre de 2018, es el primer producto de grado industrial diseñado de forma independiente por una empresa china y que ha superado las pruebas de fiabilidad. Su rendimiento ha alcanzado un nivel líder a nivel internacional, y su tiempo de resistencia a cortocircuitos es de hasta 6 μs.

3. Tecnología Yangjie

Yangjie Technology se especializa en el desarrollo industrial en los campos de fabricación de chips y dispositivos semiconductores de potencia, empaquetado y pruebas de circuitos integrados. Sus principales productos son diversos chips para dispositivos electrónicos de potencia, diodos de potencia, puentes rectificadores, módulos de alta potencia, productos DFN/QFN, SGTMOS, diodos Schottky de carburo de silicio, diodos JBS de carburo de silicio, etc. Sus productos se utilizan ampliamente en electrónica de consumo, seguridad, control industrial, electrónica automotriz, energías renovables y muchos otros sectores.

El sitio web oficial de Yangjie Technology indica que actualmente existen cuatro módulos Schottky de carburo de silicio: MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300U02FJ y MB40DU12FJ. Según la hoja de datos, el modelo MB200DU01FJ se puede utilizar en fuentes de alimentación para galvanoplastia, fuentes de alimentación de alta frecuencia, fuentes de alimentación conmutadas de alta corriente, protección contra polaridad inversa de baterías, máquinas de soldar y otras aplicaciones.

3. Núcleo brillante y húmedo

Fundada en marzo de 2016, Xinguang Runze es una empresa de alta tecnología especializada en I+D y fabricación de dispositivos y módulos de potencia de semiconductores SiC de tercera generación. El 18 de septiembre de 2018, la primera línea de producción nacional de módulos de potencia inteligentes de carburo de silicio (SiCIPM) de Xinguangrunze entró oficialmente en funcionamiento. El proyecto comenzó oficialmente su construcción en diciembre de 2016. Se estima que, una vez que la línea de producción alcance su capacidad de producción estable, la escala de producción mensual podrá llegar a 300 000 unidades y la producción anual a 3.6 millones. Actualmente, la empresa cuenta con productos de carburo de silicio, incluyendo diodos Schottky (SBD) y transistores MOSFET de carburo de silicio. Por ejemplo, el XGSCS1230SWA es uno de los modelos de SBD de carburo de silicio que cumple con el requisito de voltaje de 1200 V. Sus aplicaciones incluyen fuentes de alimentación conmutadas, corrección del factor de potencia, inversores de potencia, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), accionamientos de motores, etc.

4. Ruineng Semiconductor

Ruineng Semiconductor Co., Ltd. es una empresa conjunta de alta tecnología establecida por NXP Semiconductors y Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd. Ruineng Semiconductor se ha centrado en el desarrollo de una cartera de productos semiconductores de potencia bipolares amplia y profunda, líder en la industria, que incluye rectificadores y triacs controlados de silicio, diodos de potencia de silicio, transistores de alto voltaje y diodos de carburo de silicio. Los diodos de carburo de silicio de la compañía se utilizan principalmente en la industria, servidores, aires acondicionados y otros campos. En su sitio web oficial, Ruineng Semiconductor cuenta con 25 modelos de diodos de carburo de silicio, todos los cuales cumplen con el requisito de voltaje de 650 V, como el modelo NXPSC16650B, que se puede utilizar en corrección del factor de potencia, fuentes de alimentación conmutadas, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), inversores fotovoltaicos, televisores LED/OLED, variadores de velocidad de motores y otros escenarios.

5. Electrónica Zhanxin de Shanghai

Shanghai Zhanxin Electronics se compromete a desarrollar chips de potencia y módulos rentables con dispositivos de potencia de carburo de silicio como núcleo, proporcionando soluciones semiconductoras completas para la miniaturización, la eficiencia y la reducción de peso de las fuentes de alimentación y los sistemas de accionamiento eléctrico.

En octubre de 2017, se completó el proceso de fabricación de MOSFET de carburo de silicio (SiC) en una línea de producción en masa de 6 pulgadas ya consolidada. Los resultados de las pruebas a nivel de oblea demostraron que diversos parámetros eléctricos cumplían con las expectativas, sentando así una base sólida para la optimización del proceso y el diseño del dispositivo. El 1 de mayo de 2018, se produjo oficialmente la primera oblea de MOSFET de SiC de 6 pulgadas fabricada en el país.

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Aplicaciones típicas de los dispositivos de carburo de silicio: 1. Infraestructura 5G: fuente de alimentación para comunicaciones.

La fuente de alimentación para comunicaciones es el banco de energía para servidores y estaciones base. Proporciona energía a diversos equipos de transmisión y garantiza el funcionamiento normal del sistema de comunicación. Las características de alta frecuencia del MOSFET de carburo de silicio permiten que la unidad magnética del circuito de alimentación sea más pequeña y ligera, y la eficiencia general de la fuente de alimentación es mayor. Además, la recuperación inversa del diodo Schottky de carburo de silicio es prácticamente nula, lo que le confiere amplias perspectivas de aplicación en numerosos circuitos PFC. Por ejemplo, en el circuito PFC entrelazado sin puente de alta eficiencia de 3 kW para fuentes de alimentación de comunicaciones, el uso de diodos Schottky de carburo de silicio de 650 V/10 A permite a los clientes alcanzar los altos requisitos técnicos de eficiencia a plena carga, superiores o iguales al 95 %.

2. Punto de recarga para vehículos de nueva energía - módulo de alimentación del punto de recarga

El rápido desarrollo de la industria de vehículos de nueva energía ha impulsado el aumento de la demanda de estaciones de carga. Para los vehículos eléctricos de nueva energía, aumentar la velocidad de carga y reducir los costos son los dos objetivos principales del desarrollo de la industria. El uso de dispositivos de carburo de silicio en los módulos de potencia de las estaciones de carga permite lograr una alta eficiencia y potencia en dichos módulos, aumentando así la velocidad de carga y reduciendo los costos.

3. Centro de datos de gran tamaño, Internet industrial: fuente de alimentación para servidores

La fuente de alimentación del servidor es su principal fuente de energía. Proporciona la energía necesaria para el correcto funcionamiento del sistema. El uso de dispositivos de potencia de carburo de silicio en las fuentes de alimentación de servidores mejora la densidad de potencia y la eficiencia, reduce el tamaño y el coste total del centro de datos, y contribuye a una mayor eficiencia energética. Por ejemplo, en un módulo de alimentación de servidor de 3 kW, el uso de MOSFET de carburo de silicio en la corrección del factor de potencia (PFC) tipo tótem mejora significativamente la eficiencia de la fuente de alimentación y permite alcanzar requisitos de eficiencia más exigentes.

4. Ultra alta tensión: aplicación de interruptores automáticos de CC de transmisión flexible

Como proyecto de sistema a gran escala, la transmisión de ultra alta tensión (UHV) generará una serie de demandas de materias primas y componentes. Los dispositivos de potencia son componentes clave de la tecnología de transmisión flexible FACTS en la transmisión de CC de UHV en el extremo de transmisión y de los transformadores electrónicos de potencia (PET) en el extremo de la subestación. Como una de las partes clave de la transmisión flexible de CC, la fiabilidad del interruptor de circuito de CC tiene un gran impacto en la estabilidad de todo el sistema de transmisión. El uso de dispositivos tradicionales basados ​​en silicio para diseñar interruptores de circuito de CC requiere la conexión en serie de subunidades de varios niveles. El uso de dispositivos de carburo de silicio de alta tensión en interruptores de circuito de CC puede reducir considerablemente el número de subunidades en serie, lo que representa una dirección clave de la investigación industrial.

5. Ferrocarril interurbano de alta velocidad y transporte ferroviario interurbano: convertidor de tracción, transformador electrónico de potencia, convertidor auxiliar, fuente de alimentación auxiliar.

El transporte ferroviario del futuro exigirá mayores prestaciones a los dispositivos electrónicos de potencia, como convertidores de tracción y convertidores de voltaje. El uso de dispositivos de potencia de carburo de silicio puede mejorar notablemente la densidad de potencia y la eficiencia de estos dispositivos, lo que contribuirá a reducir significativamente la carga del sistema de transporte ferroviario. Los dispositivos de carburo de silicio permiten alcanzar una mayor eficiencia y miniaturización de los equipos, y ofrecen enormes ventajas técnicas en el transporte ferroviario. El Shinkansen N700S de Japón ha sido pionero en el uso de dispositivos de potencia de carburo de silicio en convertidores de tracción, reduciendo significativamente el peso del vehículo, logrando una mayor eficiencia de carga y disminuyendo los costos operativos.

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Conclusión: Si bien los dispositivos electrónicos de potencia de carburo de silicio aún presentan problemas como baja potencia de salida, alto precio, escasez de modelos comerciales y falta de encapsulado para altas temperaturas, con el continuo avance de la investigación en esta tecnología, estos problemas se irán solucionando gradualmente. Se introducirán en el mercado dispositivos electrónicos de potencia de carburo de silicio comerciales de mayor calidad y en mayor número, lo que ampliará considerablemente sus campos de aplicación. En un futuro próximo, los dispositivos de potencia de carburo de silicio se convertirán en componentes clave para reducir las pérdidas de potencia, mejorar la eficiencia y aumentar la densidad de potencia en diversas aplicaciones de convertidores.

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