Reduzca las pérdidas en sistemas de alimentación de modo conmutado de alto voltaje con MOSFET de carburo de silicio

El número y la diversidad de aplicaciones de electrónica de potencia, desde vehículos eléctricos (EV) e inversores fotovoltaicos (PV) hasta estaciones de almacenamiento y de carga, siguen creciendo. Estas aplicaciones exigen mayores voltajes de funcionamiento, mayor densidad de potencia, menores pérdidas, mayor eficiencia y mayor confiabilidad. Puede cumplir con estos requisitos usando los dispositivos de potencia basados en tecnologías de banda prohibida amplia (WBG), como el carburo de silicio (SiC), una tecnología que continúa mejorando.

¿Por qué SiC?

En relación con Si, los materiales semiconductores de WBG, como SiC, tienen características que los convierten en excelentes opciones de diseño para los sistemas de alimentación de modo conmutado. La banda prohibida se refiere a la energía requerida para mover un electrón desde la banda de valencia de un material hacia la banda de conducción. La banda prohibida más ancha del SiC permite un voltaje de funcionamiento más alto. Otras características importantes incluyen la conductividad térmica, la resistencia en estado encendido, la movilidad de electrones y la velocidad de saturación.

La conductividad térmica mide cuán rápido se transfiere el calor desde la unión del semiconductor al entorno exterior. La conductividad térmica del SiC es casi tres veces mejor que la del Si. Esto facilita el enfriamiento de los dispositivos de SiC, lo que les da temperaturas nominales más altas y permite que los semiconductores del SiC sean más delgados que un dispositivo de Si equivalente con una clasificación de voltaje nominal. El resultado son dispositivos más pequeños para un voltaje y una potencia de salida nominales determinados.

El SiC permite que los diseñadores aumenten el área que transporta el flujo de corriente para el mismo tamaño de molde, lo que reduce la resistencia del dispositivo. Esto da como resultado la ventaja más significativa del dispositivo de SiC: disminución de la resistencia en estado encendido del canal (R_DS(ON)) para dispositivos con los mismos voltajes nominales. Una R_DS(ON) menor se traduce en menores pérdidas por conducción, lo que genera una mayor eficiencia.

Los semiconductores del SiC ofrecen una mayor movilidad de electrones, lo que les permite operar a frecuencias más altas que los dispositivos del Si. El funcionamiento de circuitos de potencia a una frecuencia de conmutación más alta permite un importante ahorro de costos debido a la reducción de componentes pasivos, como transformadores, obturadores, inductores y condensadores. Esta reducción también disminuye el volumen de estos componentes, lo que proporciona una mayor densidad de potencia general.

La velocidad de saturación es la velocidad máxima de un electrón en un campo eléctrico alto. En los semiconductores del SiC, la velocidad de los electrones es dos veces mayor que la de los semiconductores del Si, lo que genera tiempos de conmutación más rápidos y menores pérdidas de conmutación.

Últimos ejemplos de MOSFET del SiC

A partir de las principales ventajas del SiC, Vishay presentó MOSFET de SiC de la serie MaxSiC de 1200 voltios. La serie utiliza tecnología MOSFET patentada para ofrecer valores R_DS(ON) de 45, 80 y 250 miliohmios (mΩ) en paquetes estándar para aplicaciones industriales, como inversores de tracción, conversión y almacenamiento de energía fotovoltaica, cargadores a bordo y estaciones de carga. La serie cuenta con velocidades de conmutación rápidas y un tiempo de resistencia a cortocircuitos (SCWT) de 3 microsegundos (μs).

Los MOSFET de MaxSiC son dispositivos de canal N clasificados para un voltaje máximo de drenaje a fuente (V_DS) de 1200 voltios y pueden funcionar a temperaturas de -55 a 150 °C. Para cada valor de R_DS(ON), los dispositivos están disponibles en dos paquetes estándar de orificio pasante. La disipación de potencia máxima y la corriente de drenaje varían según el número de modelo, con una disipación de potencia máxima y una corriente de drenaje continua (I_D) de 227 vatios y 49 amperios (A), respectivamente (tabla 1).

Los MOSFET de MaxSiC mencionados están disponibles en un paquete TO247-AD de tres o cuatro conductores (figura 1).

Figura 1: Los MOSFET de MaxSiC están disponibles en paquetes TO-247AD de tres y cuatro conductores. (Fuente de la imagen: Vishay)

El paquete de cuatro terminales agrega un cable conectado por Kelvin para la conexión del accionamiento de la puerta para minimizar el acoplamiento de la caída de voltaje de la corriente de drenaje en las conexiones de los cables de la fuente.

Los MOSFET de MaxSiC se adaptan bien a aplicaciones que requieren una conmutación superior a 600 voltios y niveles de potencia de 227 vatios, como sistemas de baterías automotrices de 400 y 800 voltios, fuentes de energía fotovoltaica y estaciones de carga.

Conclusión

Los MOSFET de MaxSiC de Vishay son dispositivos innovadores de alta potencia para las industrias automotriz y energética. Ofrecen especificaciones de voltaje más altas que los dispositivos de Si estándar y una menor resistencia del canal, por lo que son ideales para diseños que requieren bajas pérdidas y alta eficiencia.