Usar semiconductores de potencia de SiC para aumentar la eficiencia de los convertidores de conmutación de alto rendimiento

Los dispositivos de potencia de carburo de sílice (SiC) prometen una reducción de costos y un aumento de la eficiencia en comparación con los componentes de sílice (Si) de larga data. Aun así, algunos diseñadores tal vez perciban aún que los semiconductores de SiC son bastante costosos y complicados de controlar.

Con dispositivos de SiC de ejemplo de Microchip Technology, podemos aplacar esas preocupaciones, empezando por señalar las ventajas fundamentales de la tecnología de SiC. Hablaremos de los semiconductores de potencia de SiC y mostraremos las herramientas de simulación, los controladores de puerta digitales configurables y los diseños de referencia que pueden hacer que el proceso de desarrollo sea más manejable.

Pequeño, ligero, eficiente y con una buena relación costo-eficacia

Muchas aplicaciones eléctricas de alto rendimiento en plantas industriales, vehículos eléctricos (VE) o energía renovable deben mejorar continuamente la eficiencia de conversión de la energía, conservar los recursos y reducir los costos. Los MOSFET de SiC ofrecen algunas ventajas destacadas para voltajes de sistema de hasta 2000 voltios y niveles de potencia por encima de los 3 kilovatios (kW) en comparación con los transistores bipolares de puerta con aislamiento de Si (IGBT) comprobados.

Los semiconductores de SiC, caracterizados por altas ventajas de conmutación y menos sobreimpulso, logran pérdidas de conmutación extremadamente bajas, hasta 70 % más bajas a una frecuencia de conmutación de 30 kilohercios (kHz) a comparación de los IGBT (Figura 1). Esto permite aumentar la eficiencia del sistema y produce una interferencia electromagnética (EMI) más baja, minimizando la necesidad de corrección de factor de potencia (PFC) y filtros de línea.

Figura 1: A comparación de los IGBT (parte superior), los MOSFET de SiC (parte inferior) reducen las pérdidas de conmutación en más de 70 % a una frecuencia de conmutación de 30 kHz. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

El funcionamiento a frecuencias de conmutación altas, voltajes altos y corrientes más bajas da como resultado componentes inductivos y capacitivos más pequeños. Esto reduce el peso, el tamaño de los cables y los costos de la lista de materiales (BOM). En comparación con los transistores de Si, los semiconductores de SiC son más estables a temperaturas más altas y tienen una mejor disipación del calor, lo que permite que disipadores de calor más pequeños minimicen el volumen.

Debido a su energía de avalancha alta, los MOSFET de SiC son resistentes en casos de uso de conmutación inductiva desbloqueada (UIS). Por lo general, los MOSFET de SiC son muy confiables: logran una alta densidad de potencia y toleran cortocircuitos transitorios.

Diodos de barrera Schottky de SiC rápidos y de pérdida baja

Los semiconductores de SiC de Microchip Technology ofrecen una opción innovadora para los diseñadores que buscan una mejor eficiencia del sistema, un factor de forma más pequeño y una temperatura de funcionamiento más alta para aplicaciones como los inversores fotovoltáicos, la carga de batería, el almacenamiento de energía, los controladores de motor, los suministros de potencia ininterrumpidos (UPS), los suministros de potencia auxiliares y los suministros de potencia en modo conmutado (SMPS).

Los diodos de barrera Schottky (SBD) de SiC de Microchip están diseñados con valores equilibrados para sobretensiones, voltaje directo, resistencia térmica, capacitancia térmica, corriente inversa baja y pérdidas de conmutación bajas.

Los SBD están disponibles en diseños discretos, como el SBD doble MSC050SDA070BCT con un cátodo común y el paquete TO-247-3, que puede lidiar con un voltaje de recuperación inverso repetitivo (V_RRM) de 700 voltios y una corriente directa (I_F) de 88 amperios (A). El módulo de puente completo MSC50DC70HJ tiene terminales de tornillo y puede manejar 700 voltios y 50 A, mientras que el módulo de puente trifásico MSCDC50X1201AG está diseñado para la soldadura a través de orificios.

MOSFET de SiC resistentes de alto voltaje y alta corriente

Los MOSFET de SiC más recientes ofrecen una alta capacidad UIS de aproximadamente 10 a 25 julios por centímetro cuadrado (J/cm²). Un transistor simple de canal N típico como el MSC080SMA120B4 viene en un paquete TO-247-4, conmuta 37 A a un máximo de 1200 voltios y tiene una conexión Kelvin separada con la fuente para el control de puerta sin interferencias.

Los módulos de potencia MOSFET de SiC son ideales para aplicaciones de convertidor de conmutación en el rango de kilovatios de doble y triple dígito. Por ejemplo, el módulo de medio puente MSCSM120AM02CT6LIAG cuenta con terminales de tornillo y una inductancia de fuga muy baja. Contiene dos MOSFET de canal N que pueden conmutar de manera segura voltajes de circuito de carga de hasta 1200 voltios y corrientes continuas de hasta 947 A.

El módulo de medio puente trifásico MSCSM120TAM31CT3AG puede manejar voltajes de drenaje a fuente (V_DSS) de hasta 1200 voltios, corrientes de conmutación (I_D) de hasta 89 A y una disipación de potencia máxima (P_D) de 395 vatios. Los diodos de rueda libre SBD integrados cuentan con recuperación inversa cero, recuperación directa cero y conmutación independiente de la temperatura.

Controlador de puerta programable digital

Todos los componentes de hardware y software necesarios para accionar los módulos de SiC de baja inductancia están incluidos en el kit de desarrollo de SiC acelerado de Microchip (ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01). En el kit se incluye una placa enchufable de controlador de puerta de SiC de doble canal digital y lista para usar, diseñada para controlar módulos de SiC de 1200 voltios. El controlador de puerta puede programarse para un rendimiento óptimo con la herramienta de configuración inteligente de Microchip (ICT) y un adaptador de programación.

La placa del controlador se enchufa directamente en el módulo de SiC usando una tarjeta de expansión apropiada para formar una unidad de medio puente compacta para un funcionamiento de encendido/apagado de varios niveles (Figura 2). Los controladores de puerta son compatibles con control de conmutación avanzado, cuentan con protección robusta contra cortocircuitos y pueden configurarse completamente con software, incluidos los voltajes de puerta +/- V_gs.

Figura 2: En el ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01, una tarjeta de expansión conecta un módulo de potencia de SiC a una placa de controlador de puerta, formando una unidad de potencia de medio puente compacta. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Desarrollo rápido y exitoso

Otra forma de diseñar semiconductores de SiC de forma fácil, rápida y confiable para su aplicación es usando el simulador de potencia de SiC MPLAB de Microchip. Según la simulación de circuito eléctrico lineal por partes (PLECS), el simulador de circuito ayuda a los diseñadores a evaluar los dispositivos de SiC antes de construir un prototipo. Calcula las pérdidas de potencia y estima las temperaturas de unión de los dispositivos de SiC utilizando datos de pruebas de laboratorio para topologías comunes de convertidores de potencia, como las aplicaciones de CC/CA, CA/CC y CC/CC.

El simulador de potencia de SiC MPLAB en línea ofrece topologías de circuito para seleccionar, lo guía a través de la selección de componentes, define los parámetros operativos y simula las curvas de señal de voltaje, corriente, disipación de potencia y temperatura (Figura 3).

Figura 3: El simulador de potencia de SiC MPLAB en línea muestra los parámetros de circuito y sistema a la izquierda y las curvas de señal simulada a la derecha. Las curvas de voltaje y corriente del circuito de puente trifásico Viena se muestran aquí. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Microchip ofrece muchos diseños de referencia documentados y basados en SiC, que incluyen archivos de diseño, para ayudar a los ingenieros a empezar rápidamente. Estos suministros de potencia, cargadores y sistemas de almacenamiento de energía eléctrica para movilidad eléctrica y aplicaciones industriales:

• Puente CC/CC bidireccional de 11 kilovatios (kW) para carga de VE
• PFC trifásico Viena de 30 kW
• Diseño de referencia Powerstack de SiC trifásico de 150 kilovoltamperios

Conclusión

Los semiconductores de potencia de SiC de Microchip ofrecen un rendimiento de sistema alto en aplicaciones de convertidor de conmutación de kilovatios de doble y triple dígito y permiten diseños de densidad de potencia alta. Además, los diseñadores se benefician de las herramientas de simulación coordinada, los controladores de puerta digitales configurables y los extensos diseños de referencia para tener éxito antes con sus propios diseños de circuito.