El informe de investigación de mercado de Yole Development muestra que, desde el nacimiento de los dispositivos semiconductores de potencia de silicio, las demandas de las aplicaciones han impulsado el aumento de la temperatura de la unión, que ahora ha alcanzado los 150 °C.

Con la aparición de los dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha de tercera generación (como el SiC) y su creciente madurez y plena comercialización, su singular resistencia a altas temperaturas está acelerando el aumento de la temperatura de la unión de los 150 °C actuales a 175 °C, y alcanzará los 200 °C en el futuro.

Gracias a las características únicas de alta temperatura y las bajas pérdidas de conmutación del SiC, esta tendencia al aumento de la temperatura de la unión modificará significativamente el diseño de los sistemas de potencia. Estas aplicaciones típicas, orientadas al futuro y que requieren alta temperatura y alta densidad de potencia, incluyen sistemas de propulsión de vehículos eléctricos altamente integrados, aeronaves multieléctricas y totalmente eléctricas, incluso aeronaves eléctricas, estaciones de carga y baterías portátiles, y diversas aplicaciones de potencia donde la refrigeración líquida presenta limitaciones importantes.

El sistema de propulsión de los vehículos eléctricos (motor, control electrónico y caja de cambios) ha evolucionado hacia la integración de tres componentes en uno, pero actualmente solo se ensambla estructuralmente y su integración es débil. Desde el punto de vista estructural, en el futuro, una integración profunda del sistema de propulsión será inevitable, ya que esto podría reducir el volumen, el peso y el consumo interno en aproximadamente un tercio, además de disminuir el costo total entre dos y cuatro veces.

Sin embargo, la parte de control electrónico estará estrechamente integrada con el motor, y una integración profunda aumentará considerablemente la densidad de potencia. La alta temperatura es el mayor desafío, que no se puede evitar.

Aplicaciones típicas de alta temperatura

En las aeronaves tradicionales, los movimientos mecánicos como el timón de cola, las alas y el tren de aterrizaje se controlan mediante una transmisión hidráulica clásica. Al ser un líquido, el aceite hidráulico se ve muy afectado por el entorno y tiene altos costos de mantenimiento. Actualmente, existe una tendencia hacia la electrificación parcial o total, que se manifiesta en el concepto de aeronaves multieléctricas y totalmente eléctricas.

El uso de motores eléctricos en lugar de circuitos hidráulicos para el funcionamiento mecánico de las aeronaves ofrece alta fiabilidad, fácil mantenimiento y facilita el diseño de sistemas de respaldo redundantes. Sin embargo, el principal problema radica en que los motores y los controles electrónicos no pueden equiparse con refrigeración por agua, dependiendo únicamente de la refrigeración por aire forzado y la refrigeración natural. Por lo tanto, para lograr el diseño de control electrónico en aeronaves multieléctricas, totalmente eléctricas o incluso eléctricas, el principal problema técnico que debe resolverse en primer lugar es la alta temperatura.

Además, en muchos escenarios de aplicación, las estaciones de carga de almacenamiento de energía semimóviles y los bancos de energía totalmente portátiles cubrirán eficazmente la necesidad de carga fija, algo que se hará aún más evidente con la popularización a gran escala de los vehículos eléctricos.

Sin embargo, para este tipo de aplicación de carga móvil, el mecanismo de refrigeración por agua no solo añade peso y volumen, sino que, lo que es más importante, consume la energía eléctrica almacenada. Por lo tanto, la refrigeración natural es la mejor opción para el control electrónico, pero es fundamental gestionar adecuadamente la temperatura del sistema de control electrónico.

Además de las tres aplicaciones típicas de alta temperatura mencionadas anteriormente, en muchas aplicaciones industriales especiales donde la refrigeración líquida es muy limitada, los sistemas de control electrónico se enfrentarán a los mismos desafíos de alta temperatura. La tecnología de control eléctrico de alta temperatura es clave para lograr estas aplicaciones. Su tecnología de implementación principal es la tecnología de encapsulado de alta temperatura para dispositivos de potencia de SiC y la tecnología de circuitos de control de alta temperatura correspondiente.

SiC “genial”

Los materiales de SiC y sus estructuras de dispositivos poseen una resistencia inherente a altas temperaturas, pudiendo incluso soportar temperaturas de 400 a 600 °C en condiciones de vacío. En aplicaciones prácticas, para evitar la oxidación causada por el contacto con el aire, los dispositivos de SiC deben estar encapsulados, y si van a soportar altas temperaturas, deben utilizarse encapsulados resistentes a altas temperaturas.

Actualmente, la temperatura de unión de 150 °C es el estándar más alto de la industria. El nivel de temperatura de unión de 175 °C apenas comienza a explorarse. Existen encapsulados semiestandarizados que pueden utilizarse. Los encapsulados con temperaturas de 200 °C o superiores tienen requisitos muy estrictos en cuanto a materiales y procesos de encapsulado, y deben personalizarse según las características del chip desnudo para garantizar la conductividad térmica y el rendimiento de disipación de calor requeridos.

La aplicación de dispositivos y módulos de potencia de SiC es inseparable de los circuitos controladores y sus chips correspondientes. Sin embargo, la mayoría de los chips de circuitos controladores son dispositivos de silicio comunes y no soportan altas temperaturas. Si logran funcionar a temperaturas tan elevadas como 175 °C durante 1,000 horas, es algo excepcional.

Además, la resistencia a altas temperaturas es solo un aspecto del problema. Lo más grave es la consistencia del rendimiento del dispositivo a altas temperaturas. El rendimiento de los dispositivos de silicio comunes se deteriora muy rápidamente por encima de los 70 °C, por lo que no pueden utilizarse a altas temperaturas.

Tras más de 20 años de investigación y desarrollo innovadores y pruebas de aplicación, los dispositivos de silicio especial SOI de Cissoid han alcanzado una excepcional resistencia a altas temperaturas. Pueden funcionar de forma continua durante 15 años a 175 °C y presentan una excelente consistencia de rendimiento en todo el rango de temperaturas. Son la base que sustenta las aplicaciones de SiC a altas temperaturas.

Superando el dilema de la “temperatura”

La tecnología especial de semiconductores de silicio basada en SOI de Cissoid supera por completo el problema de la temperatura en los dispositivos semiconductores de silicio y evita claramente la influencia del efecto de temperatura de los portadores (la concentración intrínseca de portadores aumenta con la temperatura) y del efecto de temperatura de la unión (la barrera de unión efectiva disminuye con la temperatura). No solo soporta altas temperaturas y funciona durante mucho tiempo, sino que también mantiene un rendimiento constante en todo el rango de temperaturas.

Como resultado, los dispositivos semiconductores de alta temperatura de Cissoid han sido durante mucho tiempo los preferidos por los sectores aeroespacial y de exploración petrolera, y cuentan con casi 20 años de experiencia y trayectoria en aplicaciones de alta temperatura.

En los últimos años, gracias a la popularidad de los dispositivos de potencia de semiconductores SiC de tercera generación, Cissoid ha desarrollado chips controladores y soluciones resistentes a altas temperaturas para MOSFETs de SiC. Esta resistencia única a altas temperaturas permite ubicarlos lo más cerca posible del módulo de potencia de SiC para minimizar la inductancia parásita del circuito de control, suprimiendo así de manera más efectiva las oscilaciones y logrando una eficiencia óptima.

Recientemente, Cissoid lanzó un sistema de módulo de potencia inteligente (IPM) trifásico de puente completo de 1200 V con MOSFET de SiC, que constituye una plataforma escalable. Este sistema utiliza tecnología de bajas pérdidas de conmutación para ofrecer una solución integrada, denominada IPM.

El IPM se compone de un circuito de control de puerta y un módulo de potencia trifásico de carburo de silicio. La cooperación entre ambos se ha optimizado y coordinado para aprovechar al máximo las ventajas de los dispositivos de SiC.

El módulo CXT-PLA3SA12450AA, actualmente en producción, tiene una temperatura de unión nominal de hasta 175 °C, y el circuito de control de puerta puede operar en un entorno de hasta 125 °C. Además, según lo requieran las condiciones y escenarios de aplicación, el nivel de temperatura de funcionamiento puede mejorarse aún más mediante la sustitución de componentes pasivos de nivel superior y el encapsulado de los chips y módulos principales.

Desde el nacimiento de los dispositivos semiconductores de silicio, las aplicaciones a altas temperaturas han sido clave para su éxito.

La innovadora tecnología de chips de silicio SOI especiales de Cissoid ha tomado la delantera en la consecución de importantes avances en dispositivos semiconductores discretos de alta temperatura y circuitos integrados de pequeña escala.

A medida que los semiconductores de tercera generación, como los dispositivos semiconductores de potencia de SiC, se vuelven cada vez más maduros y populares, su resistencia inherente a altas temperaturas y los dispositivos semiconductores de alta temperatura Cissoid forman una combinación muy buena, lo que cambiará en gran medida el patrón de diseño de los sistemas de potencia y brindará a los ingenieros de diseño un nuevo margen de expansión.

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