Introducción
La implementación de interruptores en convertidores de potencia estáticos se realiza mediante semiconductores, que permiten frecuencias de conmutación desde pocos a varios millares de kHz. Tiristores, transistores BJT, FET, o híbridos como los IGBT, son seleccionados en función de la potencia, frecuencia de conmutación y precio de la aplicación requerida.
En la búsqueda de la tecnología ideal para una aplicación es habitual encontrar información como en las siguientes gráficas, donde han irrumpido dos nuevas tecnologías comúnmente denominadas Wide Band Gap (WGB).
Entre la imagen izquierda y derecha han pasado unos 15 años, y si bien la propuesta de Infineon® se centra únicamente en dispositivos FET, es muy optimista con los WBG. Aun así, la comparación expone el cambio de tendencia en el uso de semiconductores para electrónica de potencia.
La siguiente imagen es una propuesta más realista de UnitedSiC®, que a pesar de ser especialistas en la fabricación de dispositivos SiC, aún no encuentran rival en las tecnologías tradicionales para buena parte de los rangos de operación.
Este tipo de imágenes son útiles para obtener un mapa mental del estado del arte, pero carecen de información como tensiones de funcionamiento, complejidad, fiabilidad o precio. Por ejemplo, tanto tiristores como IGBTs no están ni estarán extintos a medio plazo. Su principal ventaja es funcionar a tensiones y corrientes más elevadas que el resto de tecnologías con una fiabilidad muy superior. Haciendo que sigan siendo imprescindibles a pesar de su elevado tamaño o los complejos circuitos de control que requieren, especialmente en el caso del tiristor.
Teoría de bandas y conductividad eléctrica
La denominación Wide Band Gap no es fortuita, la conductividad eléctrica de un material puede explicarse o predecirse mediante la teoría de bandas, la cual dice que la distancia entre la banda de conducción y valencia (bandgap o banda prohibida) definirá cuán susceptible es un material a permitir que sus electrones se muevan libremente.
La energía necesaria para que un electrón salte de la banda de valencia a la de conducción se mide en electrón-voltios eV. Mientras que en los materiales conductores esta banda es muy estrecha, llegando a solaparse, en los aislantes la distancia es muy grande.
Propiedades físicas de semiconductores WBG
La siguiente imagen es una muestra de porqué a los semiconductores SiC y GaN se les denomina Wide Band Gap.
La imagen compara varias propiedades físicas de las tres tecnologías.
- Conductividad térmica (W/cm2·K): Mide la cantidad de potencia calorífica que se puede conducir a través de un material. Cuanto más alto, mejor se podrán extraer las pérdidas en forma de calor del dispositivo al exterior.
- Tensión de ruptura (V/cm): Tensión a la que puede exponerse un material antes de que comience a conducir de forma significativa.
- Bandgap o banda prohibida (eV): Energía implicada en el salto entre la banda de conducción y de valencia.
- Movilidad electrónica (cm2/V·s): Velocidad con la que se mueve un electrón en un material en presencia de un campo eléctrico.
- Velocidad de saturación electrónica (cm/s): Máxima velocidad que puede adquirir un electrón en un material en presencia de un campo eléctrico, independientemente de cuán alto sea este.
En resumen, al aumentar la banda prohibida se puede reducir la cantidad de material necesario para mantener la tensión de ruptura a igual temperatura (distancia entre drenador y surtidor), con ello no solo se consigue reducir la resistencia de conducción, también se reducen los tiempos de conmutación al disminuir componentes parásitas como capacidades e inductancias.
La imágen anterior es un extracto del video en YouTube: Elektor Engineering Insights #4 – Adapting to wide bandgap devices.
Construcción de transistores WBG
Obtención de obleas SiC
A diferencia del silicio, el Carburo de Silicio no posee fase líquida, pasando de sólido directamente a gas. Por ello, no pueden utilizarse las técnicas de fabricación ya industrializadas del Si, haciendo la obtención de obleas SiC un reto.
En la actualidad es posible obtener cristales de SiC mediante PVT (Physical Vapor Transportation), siendo necesarias temperaturas en torno a 2500ºC, con todo lo que supone una temperatura de esta magnitud en un proceso industrial.
La obtención de la oblea SiC no es el último de los retos, su dureza hace que solo pueda ser cortado con diamantes. El dopado debe realizarse a temperaturas muy elevadas, requiriendo de nuevo gran cantidad de energía. Por otro lado, las obleas dejan pasar la luz, una característica que va más allá de la anécdota ya que las máquinas de inspección óptica encuentran dificultades para detectar problemas.
La transparencia es una consecuencia más del ensanchamiento entre banda de conducción y valencia. Una explicación más detallada se encuentra en el siguiente artículo: Why are SiC wafers transparent?.
Obtención de obleas GaN
El primer LED de color azul en 1992 fue el primer hito de los GaN que alcanzó al público general, saltando a los medios de comunicación generalistas en 2014 gracias al Nobel de física que reconoció la hazaña.
Fundir Nitruro de Galio requiere 2.000ºC y 60.000bar, haciendo impracticable utilizar las tecnologías y métodos disponibles en el silicio. Obtener cristales de GaN sin llegar a estas condiciones extremas ha requerido (y todavía requiere) mucha investigación. En la actualidad los fabricantes se han centrado en técnicas epitaxiales, haciendo crecer una capa de GaN sobre otro cristal que hace de «semilla», un concepto muy similar al utilizado en los SiC.
La opacidad de las obleas de GaN se debe precisamente a al sustrato sobre el que se fabrica, pero dependiendo del proceso productivo no será raro encontrar obleas GaN translúcidas.
Transistores FET WBG
Los primeros transistores SiC pretendían ser directamente compatibles con los de Si existentes, esto es, normalmente apagados (enhancement mode). Sin embargo, presentaban (y aun presentan) los siguientes problemas:
- El semiconductor SiC contiene tal número de defectos que la movilidad electrónica en el óxido de la puerta del transistor es reducida, haciendo que se eleve la resistencia de encendido.
- Aparece histéresis en la tensión umbral puerta-surtidor, encareciendo el diseño y operación del driver de disparo. No es raro encontrar transistores WBG cuyos datasheets requieran tensiones negativas de puerta para asegurar el apagado.
- Tras sufrir sobrecorrientes y sobretensiones la puerta se degrada, tanto MOSFET SiC como GaN requieren protección específica contra sobretensiones.
- Los defectos en la red cristalina se propagan cuando el diodo inherente del MOSFET conduce corriente.
La alternativa para evitar estos problemas fue la construcción de un transistor JFET, el cual no necesita óxido en la puerta ni presenta el diodo inherente del MOSFET. Sin embargo, la construcción de estos dispositivos genera un transistor normalmente encendido (deplection mode), característica no deseada en interruptores de convertidores conmutados. Para conseguir un dispositivo que mantenga las propiedades de los WBG y que se comporte como un transistor de modo enriquecido (enhancement mode), se recurrieron a configuraciones híbridas con transistores MOSFET de Si como el de la siguiente imagen.
La configuración anterior se conoce con el nombre de cascode.
Comparación transistores Si, SiC y GaN reales
Para finalizar se realiza una comparativa entre transistores Si, SiC y GaN reales que puedan encontrarse en distribuidores de componentes electrónicos. En este punto y para poner de manifiesto las diferencias de estos dispositivos, se comparará el transistor de Si más caro contra los dispositivos SiC y GaN más baratos.
Antes de conclusiones una comparativa más, esta vez para una aplicación de baja tensión. En este rango de tensiones no es posible encontrar un transistor SiC. De hecho, por debajo de 600V es muy difícil encontrar un componente de este material.
A primera vista y aunque era lo esperado, llama la atención las bajísimas capacidades parásitas de los SiC y GaN respecto a los tradicionales Si. Para una tensión dada la resistencia Rds también se reduce, sin embargo, esta ventaja se desvanece al reducir dicha tensión.
Con los datos anteriores uno podría pensar que los transistores de silicio están acabados en muchas aplicaciones, pero nada más lejos de la realidad.
- Un vistazo rápido en páginas de proveedores de electrónica deja clara no solo la abrumadora disponibilidad de transistores Si, también lo baratos que estos pueden llegar a ser.
- Los transistores WBG requieren más trabajo de ingeniería. Su utilización no es tan sencilla como sustituir en un diseño previo con Si por el nuevo SiC o GaN. Se debe analizar el driver del nuevo transistor con cuidado, revisar la posible necesidad de tensiones negativas para el apagado, especialmente en aplicaciones hard switching.
- La resistencia Rds de muchos transistores de Si modernos no tiene nada que envidiar a muchos WBG. Si las necesidades por frecuencia de conmutación no lo requieren, se podría estar incurriendo en un sobrecoste importante.
Fuentes de información
https://www.asianometry.com/p/silicon-carbide-a-power-electronics
https://blog.st.com/silicon-carbide/
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/amano-lecture.pdf
