Materiales con banda prohibida amplia en aplicaciones automotrices

3 marzo 2021

Los semiconductores de banda ancha ancha (WBG), como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), proporcionan un rendimiento superior en comparación con el silicio: mayor eficiencia y frecuencia de conmutación, mayor temperatura y voltaje de funcionamiento. Los EV y HEV incluyen varias etapas de conversión de energía, con pérdidas de energía acumuladas que pueden alcanzar el 20% de la energía disponible inicialmente. Los semiconductores WGB mejoran en gran medida la eficiencia de las etapas de conversión de potencia, actuando como un sustituto válido del silicio en la fabricación de convertidores de voltaje, MOSFET de potencia y diodos Schottky de alta eficiencia. En comparación con el silicio (Si) y el arseniuro de galio (GaAs), los semiconductores WBG permiten obtener importantes mejoras, tales como: mayor eficiencia energética, menor tamaño, menor peso y menor costo total.

Beneficios de GaN y SiC

Los materiales WBG tienen un intervalo de banda de energía relativamente grande, es decir, el intervalo de energía existente entre el límite superior de la banda de valencia y el límite inferior de la banda de conducción. Los electrones pueden atravesar la banda prohibida y entrar en la zona de conducción mediante excitación térmica u óptica. Bandgap permite que los semiconductores cambien entre los estados de conducción (ON) e interdicción (OFF) basándose en parámetros eléctricos controlables desde el exterior. Los materiales de WBG como el carburo de silicio y el nitruro de galio tienen un intervalo de banda igual, respectivamente, a 3,3 eV y 3,4 eV, valores significativamente superiores a los del silicio (1,12 eV) y al arseniuro de galio (1,4 eV). Una banda prohibida más amplia implica un mayor campo de ruptura eléctrica, pero también la posibilidad de operar a temperaturas, voltajes y frecuencias más altas. Una banda prohibida amplia también significa un campo eléctrico de ruptura más alto y, por lo tanto, un voltaje de ruptura más alto. Superando los límites teóricos que ofrece el silicio, los semiconductores WBG como GaN y SiC ofrecen importantes mejoras de rendimiento y permiten operar con eficiencia y confiabilidad incluso en las condiciones más severas. En comparación con el silicio, los principales beneficios que ofrecen estos materiales se pueden resumir de la siguiente manera:

  • menor resistencia a la activación;
  • mayor voltaje de ruptura;
  • mayor conductividad térmica;
  • funcionamiento a temperaturas más altas;
  • mayor confiabilidad;
  • tiempo de recuperación inverso cercano a cero;
  • excelente rendimiento de alta frecuencia.

Aplicaciones automotrices de SiC

Los principales dispositivos de energía que se pueden encontrar en cualquier vehículo eléctrico o híbrido se muestran en la Figura 1: Los dispositivos basados ​​en SiC pueden reemplazar de manera eficiente los dispositivos basados ​​en silicio para implementar esas funcionalidades. El inversor principal es un componente clave del automóvil. Controla el motor eléctrico (independientemente de su tipo: síncrono, asíncrono o CC sin escobillas) y captura la energía liberada a través de la rotura regenerativa devolviéndola a la batería. En EV y HEV, el convertidor CC-CC tiene la tarea de proporcionar el bus del sistema de alimentación de 12 V, convirtiéndolo de una batería de alto voltaje. Hoy en día, se encuentran disponibles en el mercado varios tipos de baterías de alto voltaje, con diferentes niveles de voltaje y diferentes clases de potencia (generalmente en el rango de 1kW a 5kW). Pueden ser necesarios otros componentes opcionales, dependiendo de si el circuito regenerativo debe soportar la transferencia de energía mono o bidireccional. El inversor / convertidor auxiliar suministra energía, derivada de la batería de alto voltaje, a varios sistemas auxiliares como aire acondicionado, dirección asistida electrónica, calentador PTC, bombas de aceite y bombas de enfriamiento. El sistema de gestión de la batería controla el estado de la batería durante la carga y descarga. Esta operación se realizará de manera inteligente para que la vida útil de la batería se pueda extender. En cuanto a los aumentos de la edad de la batería, se optimizará el uso de las celdas, equilibrando su rendimiento durante la carga y descarga. El cargador de batería de a bordo juega un papel fundamental ya que permite cargar la batería desde una toma de corriente estándar. Este es un requisito adicional para los diseñadores, ya que el mismo circuito debe soportar diferentes niveles de voltaje y corriente. También se proporcionará una disposición para las capacidades futuras, como la transferencia bidireccional de energía (donde el cargador también alimenta energía desde el automóvil a la red inteligente).

Controlador de motor GaN

Las aplicaciones automotrices requieren motores eléctricos con tamaños cada vez más compactos y rendimientos cada vez más altos. Los circuitos de controlador de motor, tradicionalmente basados ​​en transistores de silicio MOSFET e IGBT, presentan cada vez más dificultades para cumplir con este tipo de requisitos. De hecho, la tecnología del silicio está llegando a sus límites teóricos, con restricciones sobre todo: densidad de potencia, tensión de ruptura y frecuencia de conmutación que, a su vez, repercute en las pérdidas de potencia.

Los principales efectos de estas limitaciones se manifiestan principalmente en un nivel de eficiencia subóptimo, al que se añaden problemas potenciales en el funcionamiento a altas temperaturas y altas velocidades de conmutación. Como ejemplo, considere un dispositivo de potencia basado en silicio que funciona a una frecuencia de conmutación igual o superior a 40 kHz. En esas condiciones, las pérdidas de conmutación son mayores que las pérdidas de conducción, con efectos en cascada sobre las pérdidas de potencia generales. Para disipar el calor producido en exceso, es necesario utilizar un disipador de calor adecuado, una solución que, además de levitar los costes y el peso total del dispositivo, también puede resultar desventajosa por su excesiva huella. Los dispositivos HEMT (High Electron Mobility Transistor) basados ​​en nitruro de galio (GaN) ofrecen características eléctricas superiores y se ofrecen como una alternativa válida a los transistores MOSFET e IGBT en aplicaciones de control de motores de alta tensión y alta frecuencia de conmutación. La Figura 2 muestra la tendencia de las pérdidas generales relacionadas con los dispositivos eléctricos construidos con tecnología de silicio y nitruro de galio, respectivamente. Si bien las pérdidas por conducción pueden considerarse constantes, para ambos materiales, un comportamiento diferente en cuanto a las pérdidas por conmutación. A medida que aumenta la frecuencia de conmutación, las pérdidas de conmutación de un transistor GaN HEMT son significativamente más bajas que las de un MOSFET de silicio o IGBT y esta diferencia es, aún más, marcada cuanto mayor es la frecuencia de conmutación.