nitruro de galiotransistores yCarburo de silicio.El MOSFET es un semiconductor de potencia emergente en los últimos dos o tres años. En comparación con los semiconductores de potencia de silicio tradicionales, presenta numerosas características excelentes: alta tensión de ruptura, baja resistencia de encendido, parámetros parásitos reducidos, etc. Además, posee características únicas: los parámetros parásitos extremadamente pequeños y la velocidad de conmutación ultrarrápida de los transistores de nitruro de galio los hacen especialmente adecuados para aplicaciones de alta frecuencia. La facilidad de control y la alta fiabilidad del MOSFET de carburo de silicio lo hacen idóneo para fuentes de alimentación conmutadas de alto rendimiento.

Este artículo se basa en los transistores de nitruro de galio y los MOSFET de carburo de silicio de Infineon, y ofrece una introducción detallada a sus estructuras, características y diferencias de aplicación entre ambos.      
Como los gemelos indiscutibles de la tercera generación de semiconductores de potencia, los transistores de nitruro de galio y los MOSFET de carburo de silicio están atrayendo cada vez más la atención de la industria, especialmente de los ingenieros eléctricos. La razón por la que los ingenieros eléctricos prestan tanta atención a estos dos semiconductores de potencia es que sus materiales presentan numerosas ventajas en comparación con los materiales de silicio tradicionales, como se muestra en la Figura 1. El mayor ancho de banda prohibida y la mayor rigidez dieléctrica del nitruro de galio y el carburo de silicio hacen que los semiconductores de potencia basados ​​en estos dos materiales tengan excelentes características, como una alta tensión de ruptura, una baja resistencia de encendido y parámetros parásitos reducidos. Cuando se utilizan en el campo de las fuentes de alimentación conmutadas, presentan las ventajas de bajas pérdidas, alta frecuencia de operación y alta fiabilidad, lo que puede mejorar significativamente la eficiencia, la densidad de potencia y la fiabilidad de dichas fuentes.      
          Figura 1: Comparación de las propiedades clave del silicio, el carburo de silicio y el nitruro de galio.
Debido a las excelentes características mencionadas, los transistores de nitruro de galio y los MOSFET de carburo de silicio se utilizan cada vez más en el sector industrial y su uso se extenderá a mayor escala. La Figura 2 muestra los campos de aplicación y las previsiones de ventas de estos dos semiconductores de potencia, según datos de IHS Markit. A medida que se expandan los campos de aplicación, las ventas de transistores de nitruro de galio y MOSFET de carburo de silicio también aumentarán significativamente. La Figura 3 presenta la previsión de ventas de estos dos semiconductores de potencia, proporcionada por IHS Markit.      
      Figura 2: Campos de aplicación y previsión de ventas de transistores de nitruro de galio y MOSFET de carburo de silicio.
      Figura 3: Previsión de ventas de transistores de nitruro de galio y MOSFET de carburo de silicio.
En el capítulo 2 de este artículo, se presentarán en detalle la estructura y las características de los transistores de nitruro de galio. El capítulo 3 describirá en detalle la estructura y las características de los MOSFET de carburo de silicio. En el capítulo 4, se realizará un análisis comparativo del uso de estos dos semiconductores de potencia en un mismo circuito para explicar con mayor claridad las similitudes y diferencias en sus aplicaciones. Finalmente, se presentará un resumen del texto completo.      
             Estructura y características del transistor de nitruro de galio          

Estructura del transistor de nitruro de galio

A diferencia de los semiconductores de potencia hechos de silicio, los transistores de nitruro de galio conducen la electricidad a través de un gas de electrones bidimensional (2DEG) formado por el efecto piezoeléctrico de dos materiales con diferentes brechas de banda (generalmente AlGaN y GaN) en la interfaz, como se muestra en la Figura 4. Dado que el gas de electrones bidimensional solo conduce electricidad con una alta concentración de electrones, no existe el problema de la recombinación de portadores minoritarios (es decir, recuperación inversa del diodo de cuerpo) del MOSFET de silicio.      
      Figura 4: Diagrama esquemático del principio de conducción del nitruro de galio.
La estructura del transistor básico de nitruro de galio que se muestra en la Figura 4 es un transistor de alta movilidad electrónica (HEMT) de modo de agotamiento, lo que significa que cuando no se aplica voltaje entre la puerta y la fuente (VGS=0V), el drenador del transistor de nitruro de galio y el componente son conductores; es decir, es un dispositivo normalmente encendido. Esto es completamente diferente de los interruptores de potencia MOSFET o IGBT normalmente cerrados tradicionales, que son muy difíciles de usar en aplicaciones industriales, especialmente en el campo de las fuentes de alimentación conmutadas. Para abordar este problema, la industria suele tener dos soluciones. Una es usar una estructura en cascada, y la otra es agregar nitruro de galio de tipo P a la puerta para formar un transistor de modo de enriquecimiento (normalmente cerrado). Las estructuras de ambos se muestran en la Figura 5.      
      Figura 5: Dos estructuras de transistores de nitruro de galio
En la estructura en cascada, el nitruro de galio es de tipo empobrecimiento y está conectado en cascada con un MOSFET de silicio de bajo voltaje. La ventaja de esta estructura es que su control es idéntico al de un MOSFET de silicio tradicional (ya que controla un MOSFET de silicio). Sin embargo, esta estructura también presenta grandes inconvenientes. En primer lugar, el MOSFET de silicio tiene un diodo intrínseco. Cuando el nitruro de galio conduce corriente en sentido inverso, se produce un problema de recuperación inversa en el diodo intrínseco. En segundo lugar, el drenador del MOSFET de silicio está conectado a la fuente del nitruro de galio de tipo empobrecimiento. Durante la conmutación del MOSFET de silicio, la oscilación entre el drenador y la fuente es la misma que la oscilación entre la fuente y la puerta del nitruro de galio. Dado que esta oscilación es inevitable, existe la posibilidad de que el transistor de nitruro de galio se active y desactive erróneamente. Finalmente, dado que dos dispositivos de potencia están conectados en cascada, la posibilidad de reducir aún más la resistencia de encendido de todo el dispositivo de nitruro de galio es limitada.      
Debido a los problemas mencionados en la estructura en cascada, la tecnología predominante de transistores de nitruro de galio en la industria de semiconductores de potencia son los transistores de nitruro de galio de modo de enriquecimiento. Tomando como ejemplo el transistor de nitruro de galio CoolGaN de Infineon Technologies Co., Ltd., su estructura detallada se muestra en la Figura 6.      
      Figura 6: Diagrama esquemático de la estructura CoolGaN
Como se muestra en la Figura 6, los transistores de nitruro de galio actuales en la industria tienen una estructura planar, es decir, la fuente, la compuerta y el drenador están en el mismo plano, lo que difiere de la estructura vertical de los MOSFET de silicio representados por la tecnología Super Junction. La estructura de P-GaN debajo de la compuerta forma el transistor de nitruro de galio de modo de enriquecimiento descrito anteriormente. Otra estructura de p-GaN junto al drenador sirve para resolver el problema de colapso de corriente que suele ocurrir en los transistores de nitruro de galio. El sustrato de los productos CoolGaN de Infineon Technologies Co., Ltd. utiliza material de silicio, lo que puede reducir considerablemente el costo de los materiales de los transistores de nitruro de galio. Dado que los coeficientes de expansión térmica de los materiales de silicio y nitruro de galio son muy diferentes, se agregan muchas capas de transición entre el sustrato y el GaN para garantizar que el transistor de nitruro de galio no experimente problemas de falla como la delaminación de la oblea bajo condiciones de trabajo severas, como ciclos de alta y baja temperatura y choques de alta y baja temperatura.      
       

Características de los transistores de nitruro de galio

Basándose en la estructura que se muestra en la Figura 6, CoolGaN tiene las características que se muestran en la Tabla 1 y las ventajas que aporta.      
      Tabla 1: Características de CoolGaN y sus ventajas
Según las características mostradas en la Tabla 1, los transistores de nitruro de galio no poseen diodo intrínseco, pero aun así pueden conducir corriente inversa. Por ello, son muy adecuados para circuitos que requieren un flujo de corriente inversa en el interruptor de potencia y que presentan conmutación dura, como el PFC sin puente tipo tótem en modo de corriente continua (CCM), que permite alcanzar una fiabilidad y eficiencia extremadamente altas. El diagrama de topología del circuito se muestra en la Figura 7. En dicha figura, Q1 y Q2 son transistores de nitruro de galio, y Q3 y Q4 son MOSFET de silicio.      
      Figura 7: Diagrama esquemático de la topología PFC tipo tótem que utiliza transistores de nitruro de galio.
En la Tabla 1, también podemos observar que el nitruro de galio posee una velocidad de conmutación extremadamente rápida y bajas pérdidas de conducción, lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones de alta frecuencia. Las fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia que utilizan transistores de nitruro de galio ofrecen las ventajas de una alta densidad de potencia y una alta eficiencia. La Figura 8 muestra un convertidor CC-CC con topología LLC de 3.6 kW. La frecuencia de resonancia del LLC es de 350 kHz. La densidad de potencia del convertidor alcanza los 160 W/pulg³ y la eficiencia máxima supera el 98 %.      
      Figura 8: Circuito de conversión LLC de 3.6 kW que utiliza CoolGaN
Del análisis anterior se desprende que los transistores de nitruro de galio son adecuados para aplicaciones que requieren alta eficiencia, alta frecuencia y alta densidad de potencia.      
             Estructura del MOSFET de carburo de silicio y sus características          

Estructura del MOSFET de carburo de silicio

La estructura de un MOSFET de carburo de silicio planar común se muestra en la Figura 9. Para reducir la resistencia del canal, esta estructura suele diseñarse con una capa de óxido de puerta muy delgada, lo que conlleva riesgos de fiabilidad para dicha capa a voltajes de entrada de puerta elevados. Para solucionar este problema, el MOSFET de carburo de silicio CoolSiC utiliza una estructura de puerta diferente, denominada MOSFET de carburo de silicio de trinchera. Su estructura de puerta se muestra en la Figura 10. Tras la adopción de esta estructura, la resistencia del canal del MOSFET de carburo de silicio ya no depende en gran medida de la capa de óxido de puerta, por lo que la resistencia de encendido puede seguir siendo extremadamente baja, garantizando al mismo tiempo una alta fiabilidad y viabilidad de la puerta.      
      Figura 9: Diagrama estructural esquemático de un MOSFET planar de carburo de silicio
      Figura 10: Estructura de compuerta de trinchera CoolSiC
       

Características del MOSFET de carburo de silicio

Al igual que los transistores de nitruro de galio, los MOSFET de carburo de silicio también presentan una baja resistencia de encendido y parámetros parásitos reducidos. Además, sus características de diodo intrínseco mejoran notablemente en comparación con los MOSFET de silicio. La Figura 11 compara los dos indicadores principales, RDS(on)*Qrr y RDS(on)*Qoss, de los MOSFET CoolSiC y CoolMOS CFD7 de carburo de silicio de 650 V de Infineon, el MOSFET de potencia de silicio con el mejor rendimiento de diodo intrínseco del sector. El primero mide las características de recuperación inversa del diodo intrínseco, mientras que el segundo mide la cantidad de carga almacenada en el condensador de salida del MOSFET. Cuanto menores sean estos valores, mejores serán las características de recuperación inversa y menor la carga almacenada (en la topología de conmutación suave, menor será la zona muerta requerida para los transistores de potencia superior e inferior de la estructura de medio puente). Se puede observar que, en comparación con los MOSFET de silicio con una resistencia de encendido similar, la carga de recuperación inversa del MOSFET de carburo de silicio es solo aproximadamente 1/6, y la carga en el condensador de salida es solo aproximadamente 1/5. Por lo tanto, el MOSFET de carburo de silicio es particularmente adecuado para topologías donde el diodo intrínseco se apagará bruscamente (como el PFC sin puente tipo tótem en modo de corriente continua) y topologías de conmutación suave (LLC, puente completo con desplazamiento de fase, etc.).      
Los MOSFET de carburo de silicio también poseen una característica excepcional: su capacidad de cortocircuito. En comparación con los MOSFET de silicio, el tiempo de cortocircuito mejora notablemente, lo cual es crucial para aplicaciones de control de motores, como los inversores. La Figura 12 muestra una tabla comparativa de la capacidad de cortocircuito de CoolSiC y CoolMOS. Como se puede observar, CoolSiC ofrece excelentes características, como un tiempo de cortocircuito prolongado y una baja corriente de cortocircuito, lo que mejora significativamente su fiabilidad en condiciones de cortocircuito.      
      Figura 11: Comparación del rendimiento de MOSFET de carburo de silicio y MOSFET de silicio
      Figura 12: Comparación de la capacidad de cortocircuito de los MOSFET de carburo de silicio.
El capítulo 3 presenta las estructuras y características respectivas de los transistores de nitruro de galio y los MOSFET de carburo de silicio. A continuación, se compararán los parámetros y los circuitos reales de ambos.      
             Comparación de MOSFETs de nitruro de galio y carburo de silicio          

Comparación de parámetros eléctricos

La Tabla 2 muestra el transistor de nitruro de galio CoolGaN y el MOSFET de carburo de silicio CoolSiC, comparando los parámetros clave de ambos semiconductores de potencia.      
      Tabla 2: Comparación de parámetros clave de CoolGaN y MOSFET de carburo de silicio CoolSiC
En la Tabla 2, podemos ver que los parámetros dinámicos de los transistores de nitruro de galio son menores que los de los MOSFET de carburo de silicio. Por lo tanto, las pérdidas de conmutación de los transistores de nitruro de galio son menores que las de los MOSFET de carburo de silicio, y sus ventajas serán más evidentes a altas frecuencias de operación. Cuando la corriente fluye en la dirección opuesta (de la fuente al drenador), la caída de voltaje del transistor de nitruro de galio está relacionada con su voltaje de control de puerta a fuente. Es necesario comparar cuál es mayor y cuál es menor según la situación de aplicación. Para el último voltaje umbral Vgs(th), el valor del transistor de nitruro de galio es muy pequeño, lo que significa que se debe prestar mucha atención al diseño de control del transistor de nitruro de galio. Si el ruido en la puerta es grande, puede causar que el transistor de nitruro de galio se active accidentalmente. Al mismo tiempo, CoolGaN es un modo de control de tipo corriente, que es diferente del control de tipo voltaje tradicional. El voltaje umbral de los MOSFET de carburo de silicio es mucho mayor, y sus requisitos de control son muy similares a los de los IGBT.      
La Figura 13 muestra una comparación de otro parámetro importante: la tasa de variación de la resistencia de encendido RDS(on) con la temperatura. Es bien sabido que la resistencia de encendido de los interruptores semiconductores de potencia presenta un coeficiente de temperatura positivo; es decir, a mayor temperatura de la unión, mayor es la resistencia de encendido. Como se observa en la Figura 13, el coeficiente de variación de temperatura del MOSFET de carburo de silicio es mucho menor que el del transistor de nitruro de silicio y el del MOSFET de silicio. Cuando la temperatura de la unión alcanza los 100 °C, la diferencia llega al 30 % y al 50 %, respectivamente. Según la Figura 13, se puede observar que, suponiendo que la resistencia de encendido del MOSFET de carburo de silicio y del transistor de nitruro de galio es la misma a una temperatura de unión de 25 °C, en el mismo circuito de aplicación, esto significa que la pérdida de conducción de ambos (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) es la misma, pero cuando la temperatura de unión de los dos aumenta a 100 °C, la pérdida de conducción del MOSFET de carburo de silicio es solo el 70 % de la del transistor de nitruro de silicio, lo cual es muy atractivo para aquellos escenarios de aplicación con requisitos ambientales severos y alta eficiencia a altas temperaturas.      
      Figura 13: Curvas de resistencia de encendido de MOSFET de carburo de silicio, transistor de nitruro de galio y MOSFET de silicio en función de la temperatura de la unión.
       

Comparación de aplicaciones

En primer lugar, se evaluó el impacto de los transistores de nitruro de galio y los MOSFET de carburo de silicio en la eficiencia de conversión en el circuito PFC sin puente tipo tótem de modo de corriente continua (CCM) que se muestra en la Figura 7. Las condiciones de prueba se muestran en la Tabla 3.      
      Tabla 3: Condiciones de prueba del circuito PFC
En la prueba, se probaron dos dispositivos de resistencia de encendido para cada interruptor de potencia. Para el transistor de nitruro de galio, la RDS(on) fue de 35 mΩ y 45 mΩ respectivamente, y para el MOSFET de carburo de silicio fue de 65 mΩ y 80 mΩ respectivamente. Los resultados de la prueba se muestran en la Figura 14. Debido a que la pérdida de conmutación del interruptor de potencia es mayor que la pérdida de conducción en condiciones de carga ligera, la eficiencia de los transistores de nitruro de galio es significativamente mayor que la de los transistores de carburo de silicio. Cuando la carga aumenta gradualmente, la pérdida de conducción representa una mayor proporción de la pérdida total que la pérdida de conmutación. Al mismo tiempo, a medida que aumenta la carga, aumenta el aumento de temperatura del interruptor de potencia. Según la tasa de cambio de la resistencia de encendido con la temperatura de la unión en la Figura 13, se puede ver que la resistencia de encendido del transistor de carburo de silicio aumenta menos con la temperatura. Por lo tanto, la diferencia de eficiencia entre los dos interruptores de potencia a altas temperaturas es muy pequeña, aunque la resistencia de encendido del transistor de carburo de silicio a 25 °C es mayor que la del transistor de nitruro de galio.      
      Figura 14: Curva de eficiencia del MOSFET de carburo de silicio y del transistor de nitruro de galio a nivel PFC.
A continuación, comparamos las eficiencias calculadas de transistores de nitruro de galio y MOSFET de carburo de silicio a diferentes frecuencias de operación en una topología de circuito de medio puente paralelo entrelazado de dos fases LLC para una potencia de salida de 3 kW. El cálculo ignora el impacto del aumento de pérdidas en los componentes magnéticos (incluidos los inductores resonantes y los inductores de potencia principal) causado por los aumentos de frecuencia. La topología del circuito se muestra en la Figura 15. El modelo de transistor de nitruro de galio seleccionado es IGOT60R070D1 (la RDS(on) máxima a 25 °C es de 70 mΩ), con un total de 8 unidades. El modelo de MOSFET de carburo de silicio seleccionado es IMZA65R048M1H (la RDS(on) máxima a 25 °C es de 64 mΩ), con un total de 8 unidades.      
      Figura 15: Diagrama esquemático de un circuito LLC paralelo escalonado de dos fases.
Bajo una carga del 50 % (1500 W) y en un entorno de trabajo a temperatura normal, la comparación de eficiencia bajo diferentes frecuencias de operación se muestra en la Figura 16. Cuando la frecuencia de operación es baja (<100 kHz), la eficiencia de usar transistores de nitruro de galio y MOSFET de carburo de silicio con resistencia de encendido similar es similar, y ambos pueden lograr una eficiencia muy alta (>99.2 %). Cuando la frecuencia de operación aumenta a 300 kHz, debido a sus parámetros parásitos muy pequeños, el nitruro de galio tiene una baja proporción de pérdidas de conmutación en las pérdidas totales, por lo que su eficiencia disminuye muy poco (0.08 %), mientras que la eficiencia de los MOSFET de carburo de silicio disminuirá en un 0.58 % (99.28 %-98.7 %). Cuando la frecuencia de operación aumenta a 500 kHz, la diferencia de eficiencia entre los dos se vuelve muy grande (1 %). Por supuesto, si en un circuito real se considera que el aumento de la frecuencia provocará un aumento considerable de las pérdidas de los componentes magnéticos, la diferencia de eficiencia entre ambos no será tan grande, pero la tendencia del cambio de eficiencia será la misma.      
      Figura 16: Comparación de la eficiencia de dos dispositivos de potencia a diferentes frecuencias de funcionamiento.
             Recomendaciones de aplicación para MOSFET de nitruro de galio y carburo de silicio          

Según los análisis de los capítulos 3 y 4, basados ​​en los transistores de nitruro de galio y los productos MOSFET de carburo de silicio de Infineon Technologies Co., Ltd., las recomendaciones de aplicación para estos dos semiconductores de potencia de banda prohibida ancha son las siguientes:
(1) Por alguna razón, el sistema aplicado debe funcionar a una frecuencia superior a 200 kHz. Los transistores de nitruro de galio son la primera opción, seguidos de los MOSFET de carburo de silicio. Si la frecuencia de operación es inferior a 200 kHz, se pueden utilizar ambos;
(2) El sistema aplicado requiere una eficiencia extremadamente alta desde carga ligera hasta media carga. Los transistores de nitruro de galio son la primera opción, seguidos de los MOSFET de carburo de silicio;
(3) Si el sistema aplicado tiene una temperatura máxima de funcionamiento elevada, dificultad para disipar el calor o requiere una eficiencia extremadamente alta a plena carga, los MOSFET de carburo de silicio son la primera opción, seguidos de los transistores de nitruro de galio;
(4) El sistema aplicado tiene una gran interferencia de ruido, especialmente interferencia de control de puerta. El MOSFET de carburo de silicio es la primera opción, y el transistor de nitruro de galio es la segunda opción;
(5) Si el sistema aplicado requiere un interruptor de potencia con una gran capacidad de cortocircuito, el MOSFET de carburo de silicio es la primera opción;
(6) Para otros sistemas de aplicación sin requisitos especiales, qué producto elegir depende de factores como el método de disipación de calor, la densidad de potencia y la familiaridad del diseñador con ambos.      
             Resumir          

Este artículo ofrece una introducción detallada a la estructura, las características, las diferencias de rendimiento y las sugerencias de aplicación de los semiconductores de potencia de banda prohibida ancha que han surgido en los últimos años, concretamente los transistores de nitruro de galio y los MOSFET de carburo de silicio. Dado que los semiconductores de potencia de banda prohibida ancha presentan numerosas ventajas de rendimiento que los semiconductores de silicio no pueden igualar, la industria los utiliza cada vez más.      
     

A medida que la industria se familiarice con los semiconductores de potencia de banda ancha y adquiera mayor experiencia en su aplicación, su uso aumentará considerablemente, lo que a su vez reducirá sus precios. Esto impulsará la adopción a mayor escala de los semiconductores de potencia de banda ancha, creando un círculo virtuoso. Por lo tanto, es fundamental que los ingenieros eléctricos dominen y utilicen los semiconductores de potencia de banda ancha lo antes posible para mejorar la competitividad de sus productos, aumentar su visibilidad y potenciar sus propias capacidades. Considero que este artículo es de gran utilidad para que los ingenieros eléctricos se familiaricen con los semiconductores de potencia de banda ancha y los utilicen.

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