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Solo en los últimos tres años, como tecnología de semiconductores, SiC ha crecido al nivel que puede competir con el silicio. Ahora en su tercera generación, SiC ofrece rendimiento con un número creciente de aplicaciones.
Con el ritmo de la innovación en sectores como EV, energía renovable y 5G aumentando a un ritmo rápido, para satisfacer la demanda de los consumidores y la industria, los ingenieros de energía buscan cada vez más nuevas soluciones para brindar una ventaja en eficiencia y ahorro de costos, así como en funcionalidad.
Los cristales de carburo de silicio pueden ser cosas hermosas como 'Moissanite', según el Dr. Ferdinand Henri Moissan, quien encontró el material en los restos de un meteorito en Arizona en 1893. Hoy en día, las gemas se pueden formar a partir del carburo de silicio, que es difícil de distinguir De diamante y aún más resistente al calor. Los cristales ahora también se cultivan industrialmente como la base para las obleas de carburo de silicio (SiC) para una nueva clase de semiconductores de gran éxito, tal vez los técnicos fabulosos se asoman en las "bolas de cristal" de SiC y se preguntan qué sigue para los dispositivos que usan el material.

La tercera generación de tecnología SiC

Recapitulemos dónde está hoy la tecnología SiC y qué tan bien compite con las soluciones de silicio tradicionales. Las características básicas del material en comparación con el silicio se muestran en la Figura 1: los valores más cercanos al borde son mejores.

Figura 1. Una comparación de las características del material Si y SiC.

Esto resume las ventajas que ofrece SiC: un intervalo de banda más amplio que conduce a un voltaje de ruptura crítico mucho mayor con una mayor velocidad de electrones que permite una conmutación más rápida. El tamaño de la matriz para un voltaje determinado puede ser mucho más pequeño, lo que da una baja resistencia de encendido que, junto con la conductividad térmica dramáticamente mejor, proporciona bajas pérdidas y un funcionamiento más frío. El pequeño tamaño de la matriz también reduce las capacidades del dispositivo, a su vez reduce las pérdidas de conmutación, con el estrés térmico reducido de todos modos por la capacidad inherente de alta temperatura de SiC.
Cuando se implementa como un FET de SiC, un acuerdo de cascode utilizando el enfoque de UnitedSiC de empaquetar conjuntamente un JFET de SiC con un Si-MOSFET, un dispositivo apagado normalmente da como resultado un diodo de cuerpo rápido, de baja pérdida, alta calificación de avalancha de energía y autolimitante corriente en condiciones de cortocircuito. El SiC FET tiene una unidad de compuerta fácil, compatible con los Si-MOSFET más antiguos e incluso con IGBT, por lo que, con un paquete compatible disponible, hay una ruta de actualización fácil de los tipos de dispositivos más antiguos.
Para aplicaciones de alta frecuencia de conmutación, los paquetes DFN8x8 de bajo perfil ahora también están disponibles, lo que minimiza la inductancia del cable y, por lo tanto, es ideal para aplicaciones de conmutación dura y blanda, como LLC y convertidores de puente completo de cambio de fase.
Utilizando la tecnología, recientemente se ha roto una barrera por dispositivos en la gama UF3C de UnitedSiC, que son los primeros FET de SiC en lograr menos de 10 miliohms RDS (ON) en la clase de dispositivos de 1200 V, en un paquete TO-247 de 4 cables con Kelvin Puerta de conexión.
Las obleas de SiC utilizadas en UnitedSiC han avanzado al tamaño de seis pulgadas, con la economía de escala que permite la paridad con los niveles de precios de silicio y el uso en aplicaciones de mercado masivo, así como en productos innovadores de vanguardia.

Impulsores para una mejora adicional de SiC FET

Los FET de SiC se están acercando al cambio ideal, pero el mercado aún pide más; Los inversores EV requieren la mejor eficiencia posible para un mayor rango de conducción; los convertidores DC-DC de alta potencia, así como los convertidores AC-DC en aplicaciones de centro de datos / 5G deben disipar la menor potencia posible para minimizar la pérdida de energía, la huella y los costos; La industria quiere motores más pequeños y eficientes para una mejor utilización del espacio de fábrica. La lista continúa, con el requisito principal: mejor eficiencia. También se han abierto otras aplicaciones nuevas para SiC que aprovechan algunos de los beneficios de SiC: los disyuntores de estado sólido, por ejemplo, ahora pueden tener una pérdida muy baja a altos niveles de corriente e incluso los circuitos de potencia lineales como en cargas electrónicas son mejores con SiC dispositivos con su área de operación segura extendida (SOA).
A medida que los ingenieros de sistemas aprecian las oportunidades de reducir el tamaño y los requisitos de enfriamiento al tiempo que ahorran energía y costos de hardware, desean más de lo mismo, junto con dispositivos con una aplicación más amplia, como mayores voltajes y clasificaciones de corriente y más opciones de paquetes.

Comparación de dispositivos actuales y posibles futuros

Al comparar los dispositivos actuales y hacia lo que podrían evolucionar, los parámetros individuales no son necesariamente esclarecedores: un dispositivo de menos de diez miliohmios no tiene una clasificación tan impresionante de 100 V, pero sería de última generación a 1200 V; igualmente, un bajo RDS (ON) a 1200V no es tan útil si el área del troquel es grande, lo que lleva a altas capacidades y las consiguientes pérdidas de conmutación. Por lo tanto, es útil utilizar las "Figuras de Mérito" (FOM) acordadas, como RDS (ON) .A, el producto de la resistencia y el área del dado; un valor bajo combina medidas de bajas pérdidas resistivas y de conmutación, y el número de matrices por oblea, lo que reduce el costo.
EOSS, la energía requerida para cargar la capacitancia de salida del dispositivo es importante para una baja pérdida de conmutación y, de nuevo, un FOM directo útil para pérdidas generales es RDS (ON).

Parámetros para la mejora de SiC

Claramente, el SiC es una gran mejora con respecto a otros tipos de conmutadores para FOM críticos, pero ¿cuál es el alcance para un rendimiento aún mejor? También deben considerarse otros parámetros que podrían compensar las mejoras de FOM. La Figura 2 muestra algunos, y las flechas indican la dirección del movimiento para un mejor rendimiento. BV es voltaje de ruptura crítico, COSS es capacitancia de salida, Qrr es carga de recuperación inversa, ESW es ​​pérdida de energía en la conmutación, Diode Surge es la clasificación de corriente máxima del efecto del diodo corporal, SCWT es clasificación de resistencia a cortocircuito, UIS es clasificación de conmutación inductiva no sujeta y RthJ -C es la unión a la resistencia térmica de la caja.

Figura 2. Características de SiC FET y su dirección de evolución. El azul es hoy, el naranja es un posible escenario futuro.

Algunas características refuerzan mutuamente los beneficios, como un tamaño de troquel más pequeño que proporciona un COSS más bajo y, por lo tanto, un ESW más bajo; otros son una compensación, por ejemplo, la reducción del volumen de la matriz conduce potencialmente a una calificación energética UIS más baja. Sin embargo, la corriente máxima de avalancha no se vería afectada, típica de sobreimpulsos o pruebas de rayos relacionados con inductancias dispersas de baja energía.
Sin embargo, hay un amplio margen para una combinación útil de mejoras en el diseño de la celda y el paquete que podría ver RSD (ON). A la mitad con un dado significativamente más pequeño. COSS también caería en la misma proporción con una caída correspondiente en ESW. Es posible un troquel más delgado con la mejora correspondiente a RDS (ON), pero UnitedSiC confía en que esto no será a expensas de la clasificación de voltaje, que se elevará a 1700V con una nueva clase de voltaje estándar a 750V.
Los desafíos están por venir, como la necesidad de que el material de partida se dirija hacia cero defectos y una planitud perfecta, pero luego los rendimientos mejoran constantemente en términos de número de troqueles por oblea y también "tachaduras". Recuerde, SiC sigue siendo una tecnología relativamente joven al comienzo de su curva de evolución y, al igual que los MOSFET anteriores, tiene la perspectiva de mejoras futuras significativas en el costo y el rendimiento.

La evolución de los envases de SiC

A medida que los dispositivos FET de SiC mejoran y se expanden a diferentes aplicaciones, se puede esperar que las opciones de paquetes también se amplíen.
Actualmente, las piezas TO-247 son populares, ya que pueden ser reemplazos directos para algunos MOSFET e IGBTS y muchos tipos son de cuatro conductores para incluir una conexión Kelvin para el accionamiento de la puerta. Esto ayuda a superar el efecto de la inductancia de plomo de la fuente, que de otro modo puede provocar un encendido no deseado con di / dt de alta fuente de drenaje. D2PAK-3L y -7L también están disponibles junto con TO-220-3L, TO247 y más recientemente de UnitedSiC, el paquete DFN8x8 de montaje superficial y bajo perfil, optimizado para operación de alta frecuencia con su inductancia de paquete más baja.
En el futuro, estarán disponibles otros paquetes de SMD, la mayoría con troqueles de sinterización de plata para un mejor rendimiento térmico. Múltiples módulos de troquel de SiC también estarán más disponibles con quizás una clasificación de hasta 1200 V para el troquel individual y una clasificación de 6000 V o más utilizando una disposición apilada "Supercascode" para una potencia muy alta. Estos se utilizarán en transformadores de estado sólido, cargadores rápidos MV-XFC, sistemas de generación de energía eólica, tracción y HVDC en general.

Un vistazo al futuro

La innovación en aplicaciones de energía es rápida y no se necesita una bola de cristal para ver que los interruptores de semiconductores deben evolucionar para mantenerse al día con las expectativas del mercado. Sin embargo, hay un camino claro que debe seguir SiC para satisfacer las demandas, con nuevos puntos de referencia de rendimiento. UnitedSiC está trabajando actualmente en una tubería de nuevos dispositivos para abordar aplicaciones cada vez más amplias. Los artículos de la industria son una forma de contenido que permite a los socios de la industria compartir noticias, mensajes y tecnología útiles con los lectores de All About Circuits de una manera que el contenido editorial no es adecuado para ellos. Todos los artículos de la industria están sujetos a estrictas pautas editoriales con la intención de ofrecer a los lectores noticias útiles, experiencia técnica o historias. Los puntos de vista y opiniones expresados ​​en los artículos de la industria son los del socio y no necesariamente los de All About Circuits o sus escritores.