Únete a los más de 15,000 seguidores de IMP

www.auto-innovaciones.com
ONSEMI News

Diferencias entre los transistores de GaN y SiC

El silicio ha dominado el mundo de los transistores durante décadas pero este dominio ha cambiado de manera gradual. Se han desarrollado semiconductores compuestos por dos o tres materiales que son capaces de ofrecer unas ventajas únicas y unas características superiores. Por ejemplo, los semiconductores compuestos permiten el desarrollo del diodo emisor de luz (light emitting diode, LED). Un tipo de LED combina arseniuro de galio (GaAs) y arseniuro de galio y fósforo (GaAsP), mientras que otro usa indio y fósforo.

Diferencias entre los transistores de GaN y SiC
Potencia frente a frecuencia de conmutación para transistores de alta tensión y alta corriente y otros dispositivos, así como sus principales aplicaciones.

El problema es que los semiconductores compuestos son más difíciles de fabricar y más caros. No obstante, ofrecen ventajas significativas respecto al silicio. En aplicaciones nuevas y más exigentes como los sistemas eléctricos en automoción y los vehículos eléctricos, estos semiconductores cumplen mejor sus exigentes especificaciones.

Dos dispositivos de este tipo basados en semiconductores compuestos, que han surgido como nuevas soluciones, son los transistores de potencia de nitruro de galio (GaN) y de carburo de silicio (SiC). Estos dispositivos compiten con los veteranos MOSFET LDMOS de potencia de silicio y con los MOSFET de superunión. Los dispositivos de GaN y SiC son similares en algunos aspectos pero también presentan notables diferencias. Este artículo los compara y ofrece algunos datos con el fin de ayudarle a tomar una decisión para su próximo diseño.

Semiconductores con un salto de banda ancho
Los semiconductores compuestos también se denominan dispositivos con un salto de banda ancho (wide bandgap). Sin entrar en detalles por lo que respecta a estructuras de la malla de cristal, niveles de energía y otros conceptos complejos sobre física de semiconductores, digamos tan solo que la definición de WBG es un modelo que trata de describir cómo se mueve la corriente (los electrones) en un semiconductor compuesto.

Los semiconductores compuestos WBG tienen una alta movilidad de los electrones y una mayor energía de salto de banda que se traducen en unas características superiores a las del silicio. Los transistores de semiconductores compuestos WBG presentan unas tensiones de ruptura más altas y una tolerancia muy superior ante temperaturas elevadas. Estos dispositivos superan al silicio en aplicaciones de alta tensión y alta potencia.


Diferencias entre los transistores de GaN y SiC
Un circuito con dos FET en dos etapas convierte los transistores de GaN en dispositivos normalmente desconectados, permitiendo así el modo de enriquecimiento habitual en circuitos de conmutación de alta potencia.

Los transistores WBG también conmutan a mayor velocidad y pueden trabajar a frecuencias más altas que el silicio. Su resistencia más baja en conducción hace que disipen menos potencia, lo cual mejora la eficiencia. Esta combinación única de características logra que estos dispositivos sean atractivos para algunos de los circuitos más exigentes que se utilizan en aplicaciones de automoción, especialmente en vehículos híbridos y eléctricos.

La disponibilidad de transistores de GaN y SiC es cada vez mayor para superar los retos que presentan los equipos eléctricos en el automóvil. Estas son sus principales ventajas:
  • Capacidad de alta tensión con dispositivos para 650, 900 and 1200 V;
  • Velocidad de conmutación más rápida;
  • Temperatura de funcionamiento más elevada; y
  • Menor resistencia en conducción con una mínima disipación de potencia y una eficiencia superior.
Transistores de GaN
Los transistores de GaN encontraron un nicho de aplicación inicial en el campo de la potencia por radiofrecuencia (RF). La naturaleza de los materiales condujo al desarrollo de un transistor de efecto campo (field effect transistor, FET) de empobrecimiento. Los FET de empobrecimiento (o de modo D) o transistores pseudomórficos de alta movilidad de electrones (pseudomorphic high electron mobility transistor, pHEMT) son dispositivos que conducen de forma natural; sin entrada de control de puerta existe un canal de conducción natural. Las señales de entrada en la puerta controlan la conducción del canal y conmutan el dispositivo.

Dado que los dispositivos de enriquecimiento (o de modo E) normalmente desconectados son los preferibles en aplicaciones de conmutación, ello llevó al desarrollo de dispositivos de GaN de modo E. El primero fue un circuito de dos etapas formado por dos dispositivos FET (Figura 2). En la actualidad el mercado ofrece dispositivos de GaN de modo E capaces de conmutar a frecuencias de hasta 10 MHz y con potencias del orden de decenas de kW.

Los dispositivos de GaN son muy utilizados en equipos inalámbricos como amplificadores de potencia a frecuencias de hasta 100 GHz. Entre sus principales aplicaciones se encuentran amplificadores de potencia para estaciones base celulares, radares militares, transmisores de satélite y amplificación de RF en general. No obstante, gracias a su alta tensión (hasta 1000 V), alta temperatura y conmutación rápida, también se han incorporado en una gran variedad de aplicaciones con fuentes de alimentación conmutadas, como convertidores CC/CC, inversores y cargadores de baterías.

Transistores de SiC
Los transistores de SiC son MOSFET de modo E de manera natural. Estos dispositivos pueden conmutar a frecuencias de hasta 1 MHz con unos niveles de tensión y corriente mucho más altos que los MOSFET de silicio. La tensión máxima entre drenador y fuente es de hasta 1800 V aproximadamente, con una capacidad de corriente de hasta 100 A. Además, la resistencia en conducción de los dispositivos de SiC es mucho más reducida que en los MOSFET de silicio, por lo que son más eficientes en todas las aplicaciones de potencia de conmutación (diseños de fuentes de alimentación conmutadas). Un inconveniente importante es que requieren una tensión de control de puerta más elevada que otros MOSFET, aunque esto está cambiando a medida que se introducen mejoras en los diseños.

Los dispositivos de SiC necesitan de 18 a 20 V de tensión de control en la puerta para que el dispositivo pase a conducir con una baja resistencia en conducción. Los MOSFET convencionales de silicio requieren tan solo menos de 10 V en la puerta para conducir. Además, los dispositivos de SiC necesitan una tensión de control en la puerta de −3 a −5 V para conmutar y dejar de conducir. Sin embargo, se han desarrollado unos circuitos integrados especiales para controlar la puerta que cubren esta necesidad. Los MOSFET de SiC suelen ser más costosos que otras alternativas pero su capacidad de alta tensión y alta corriente hace que sean muy apropiados para circuitos de potencia en automoción.

Competencia entre transistores WBG
Los dispositivos de GaN y de SiC compiten con otros semiconductores muy consolidados, en concreto con los MOSFET LDMOS de silicio, los MOSFET de superunión y los IGBT. En muchas aplicaciones, estos dispositivos más antiguos se están viendo sustituidos gradualmente por los transistores de GaN y de SiC.

Por ejemplo, los IGBT están siendo sustituidos por dispositivos de SiC en numerosas aplicaciones. Los dispositivos de SiC pueden conmutar a frecuencias más altas (por encima de 100 kHz frente a 20 kHz), lo cual permite reducir el tamaño y el coste de inductores o transformadores, así como incrementar la eficiencia. El SiC también puede manejar más corriente que el GaN.

Para resumir la comparación entre GaN y SiC, estos son los puntos más destacables:
  • El GaN conmuta a más velocidad que el silicio;
  • El SiC funciona con tensiones más altas que el GaN;
  • El SiC requiere una tensión más alta para controlar la puerta; y
  • Los MOSFET de superunión se están viendo sustituidos cada vez más por dispositivos de GaN y de SiC. El SiC parece ser el favorito para los cargadores instalados en los vehículos (on−board chargers, OBC). Esta tendencia sin duda seguirá avanzando a medida que los ingenieros descubran nuevos dispositivos y acumulen más experiencia con ellos.
Aplicaciones de automoción
Muchos circuitos y dispositivos de potencia se pueden mejorar si se diseñan con GaN y SiC. Entre los más beneficiados se encuentran los sistemas eléctricos de los automóviles. Los modernos vehículos híbridos y eléctricos contienen equipos que pueden utilizar estos dispositivos. Entre las aplicaciones más comunes se encuentran los On-Board Chargers (OBC, cargadores de batería incorporados al vehículo), los convertidores CC/CC, los accionamientos de motores y el LIDAR. La Figura muestra los principales subsistemas en un vehículo eléctrico que requieren transistores de conmutación de alta potencia.


Diferencias entre los transistores de GaN y SiC
Cargador OBC para vehículos híbridos yeléctricos. La entrada de CA está rectificada y con el factor de potencia corregido. A continuación pasa por un convertidor CC/CC (una salida para cargar la batería de alta tensión y la otra para cargar la batería de baja tensión).

Convertidores CC/CC. Se trata de un circuito de potencia que convierte la alta tensión de la batería en una tensión más baja para alimentar otros equipos eléctricos. Las tensiones de la batería ahora son de hasta 600 o 900 V. Un convertidor CC/CC la reduce a 48 o 12 V o ambos para el funcionamiento de otros componentes electrónicos (Figura 3). En los vehículos híbridos y eléctricos, el CC/CC también se puede usar en el bus de alta tensión entre el bloque de baterías y el inversor.

Cargadores OBC. Los vehículos híbridos enchufables y los vehículos eléctricos incorporan un cargador interno de la batería que se conecta a una fuente de CA. Esto permite realizar la carga en casa sin necesidad de un cargador CA/CC externo.

Accionamiento del motor de tracción. El motor de tracción es el motor de CA de alto rendimiento que acciona las ruedas del vehículo. El accionamiento consiste en un inversor que convierte la tensión de la batería en una CA trifásica para alimentar el motor.

LIDAR. LiDAR es una tecnología que utiliza luz y señales de radar para detectar e identificar objetos circundantes. Explora un área de 360 grados con pulsos de láser infrarrojo y detecta la luz reflejada. Esta información se traduce a una imagen detallada en 3D del exterior hasta unos 300 metros con una resolución de varios centímetros. Su alta resolución hace que sea un sensor ideal para vehículos, en especial para conducción autónoma, con el fin de mejorar la identificación de los objetos cercanos. Los equipos LiDAR se alimentan a una tensión CC de 12 a 24 V obtenida de un convertidor CC/CC.


Diferencias entre los transistores de GaN y SiC
Un típico convertidor CC/CC utilizado para convertir tensiones altas de la batería a 12 y/o 48 V. Los IGBT utilizados en el puente de alta tensión se están viendo sustituidos de manera gradual por MOSFET de SiC.

Debido a su alta tensión, alta corriente y conmutación rápida, los transistores de GaN y de SiC ofrecen al diseñador eléctrico de automoción la posibilidad de diseñar de manera más sencilla y con un rendimiento superior.

www.onsemi.com

  Solicite más información…

LinkedIn
Pinterest


¿Ha olvidado su contraseña?

Únete a los más de 15,000 seguidores de IMP

International