Si bien hoy en día la mayoría de los semiconductores se componen de un material base de silicio (Si), en los últimos años se ha destacado un material base relativamente nuevo. Ese material es el carburo de silicio, también conocido como SiC, por sus siglas en inglés. Hoy, los diodos de MOSFET y Schottky son las principales tecnologías de semiconductores que utilizan SiC.
¿Cuáles son las ventajas del SiC frente al Si?
Como base, el carburo de silicio se considera un semiconductor de banda prohibida ancha que cuenta con ventajas inherentes frente a los semiconductores convencionales de Si. Las propiedades de los materiales del SiC llevan a valores superiores en lo siguiente:
- Campo de ruptura
- Velocidad de derivación de electrones
- Conductividad térmica
Campo de ruptura
Un mayor campo de ruptura permite que el dispositivo soporte voltajes más altos en un área determinada. Esto les brinda a los diseñadores de dispositivos la capacidad de aumentar el área dedicada al flujo de corriente para el mismo tamaño de troquel, lo cual disminuye la resistencia de los dispositivos en un área determinada, rsp. La resistencia de los dispositivos está directamente relacionada con las pérdidas de potencia de conducción, por lo tanto, una menor rsp llevará a menos pérdidas y, de esta manera, a una mayor eficiencia.
Velocidad de derivación de electrones
La velocidad de derivación de electrones hace referencia a la rapidez con la que viajan los electrones en un material debido a un campo eléctrico. En el caso de los semiconductores de SiC, la velocidad de derivación de electrones es dos veces mayor que la de los semiconductores basados en Si. Cuanto más rápido se mueven los electrones, con mayor velocidad el dispositivo puede pasar de encendido a apagado. El diseñador del sistema obtiene dos beneficios de esta conmutación más veloz. En primer lugar, menos pérdidas de potencia durante el tiempo de transición entre encendido y apagado. En segundo lugar, mayores frecuencias de conmutación permiten el uso de capacitores y magnetos más pequeños.
Conductividad térmica
La conductividad térmica del SiC es aproximadamente tres veces mejor que la del Si y combina todos los beneficios de las otras propiedades. La conductividad térmica se traduce en la rapidez con la que se transfiere el calor desde la unión de semiconductor hasta el entorno exterior. Esto significa que los dispositivos de SiC pueden operar hasta a 200 °C, en comparación con el límite típico de 150 °C del Si.
Combinar estas tres ventajas le permite al diseñador del sistema obtener un producto más eficiente, pequeño, liviano y, en última instancia, a un menor costo. Se sabe que los dispositivos de SiC son más costosos en comparación con los equivalentes de Si, pero cuando se agregan las reducciones en los costos debido al uso de componentes pasivos más pequeños y menos administración térmica, el costo general del sistema puede disminuir un 20 %. Las propiedades del material del carburo de silicio lo hacen altamente ventajoso para aplicaciones de potencia alta, donde se requiere alta tensión, alta corriente, alta temperatura y alta conductividad térmica con menos peso en general. Los diodos de MOSFET y Schottky (en empaquetado de módulo de potencia y discreto) son las principales tecnologías que utilizan SiC.
Aplicaciones prácticas de las ventajas del carburo de silicio
El carburo de silicio se utiliza en una variedad de aplicaciones existentes, como vehículos eléctricos, inversores solares, sistemas de almacenamiento de energía y estaciones de carga para vehículos eléctricos. Proporciona múltiples beneficios a los diseñadores de sistemas y fabricantes para impulsar este cambio, pero, ¿cómo se traducen en beneficios para el cliente de los productos finales?
Para comenzar, analicemos los vehículos eléctricos (EV, por sus siglas en inglés). El motivo principal que limita la adopción generalizada es la ansiedad por la autonomía. Con el uso del SiC, la autonomía de un vehículo eléctrico se puede prolongar más de un 7 %. Esto tiene un drástico impacto en la autonomía al simplemente cambiar de un inversor basado en un transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT, por sus siglas en inglés) a un inversor de SiC. Esos no son los únicos beneficios. El uso de SiC para vehículos eléctricos también aborda el desafío de adopción de estos vehículos: su costo. Las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos son las piezas más costosas. Si el uso de SiC le otorga una autonomía ampliada del 7 %, también puede permitir que el tamaño de la batería disminuya en un 7 %, mientras mantiene la autonomía equivalente a la referencia sin SiC. Un paquete de baterías más pequeño llevará directamente a un menor costo general del vehículo eléctrico. Este es el motivo por el cual la adopción de SiC en vehículos eléctricos es tan sólida y lleva a importantes predicciones de ingresos para los fabricantes de SiC.
En relación con los vehículos eléctricos, también se consideran las estaciones de carga y la construcción de estas infraestructuras. En el caso de las estaciones de cargas de vehículos eléctricos, una de las principales consideraciones es la densidad de potencia. El SiC contribuye en este aspecto, ya que les permite a los diseñadores de sistemas obtener más potencia en un mismo volumen o mantener la misma potencia y reducir el volumen en un 300 %. Obtener más potencia en un mismo volumen es la principal fuerza impulsora detrás del uso de SiC para las estaciones de carga de vehículos eléctricos. El objetivo es poder cargar un vehículo eléctrico en la misma cantidad de tiempo que lo hace una persona en una gasolinera. Esto solo se puede lograr al aumentar la cantidad de potencia que proporciona la estación de carga.
El carburo de silicio también ayuda al mercado de energía renovable al realizar inversores solares más pequeños y livianos. Al usar una frecuencia de conmutación más rápida gracias al SiC, los inversores solares pueden utilizar magnetos más pequeños y livianos. Según el nivel de potencia, puede ser que el inversor solar pese menos de 50 libras (23 kg). Este peso es el límite máximo que una persona puede levantar, según la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA, por sus siglas en inglés). El levantamiento de equipos que superan las 50 libras requiere dos personas o más, o un dispositivo de elevación. Al crear un inversor solar más liviano, una organización necesita solo a una persona para la instalación. Esto disminuye el costo de instalación, y lo hace más deseable para instaladores y consumidores. Esta ventaja también se aplica a los cargadores en cajas de empalme para vehículos eléctricos. Por supuesto, hay otros beneficios prácticos del uso del SiC en inversores solares, como la obtención de eficiencia general y las reducciones de costos en el sistema total.
Los mecanismos de motores industriales también se benefician al pasar al SiC. El SiC proporciona a los inversores de motores mejoras en la eficiencia, tamaño más pequeño y mayor disipación del calor, lo cual permite que el mecanismo del motor se ubique localmente o en el motor mismo. Esto reduce la necesidad de varios cables largos conectados al gabinete de potencia correspondientes a una solución que utiliza IGBT de Si. Por el contrario, las soluciones de SiC solo necesitan 2 cables conectados al gabinete de potencia. Esto elimina el extenso cableado expansivo y complejo necesario para este ejemplo de brazo robótico articulado con siete motores en la imagen 2. Puede encontrar más información sobre este tema aquí: MOSFET de SiC frente a IGBT de Si: ventajas de MOSFET de SiC
Todos los ejemplos de aplicaciones anteriores se benefician de la sólida durabilidad y confiabilidad del SiC, que suponen un diferenciador crucial cuando los diseñadores consideran el uso de otros semiconductores de banda prohibida ancha como el nitruro de Galio (GaN, por sus siglas en inglés).
Obtenga más información sobre las diferencias entre GaN y SiC.
Avance en el mundo hacia la descarbonización con carburo de silicio
Un denominador común de las aplicaciones descritas anteriormente es que todas permiten el avance hacia la descarbonización. Sin embargo, lo logran de maneras diferentes.
Los vehículos eléctricos contribuyen a la descarbonización al reducir de manera directa la cantidad de libras de CO2 que se emiten debido al transporte. Si bien tienen cero emisiones a través del tubo de escape, consumen electricidad que se produce mediante fuentes que emiten CO2. Incluidas estas emisiones, el Departamento de Energía (DoE, por sus siglas en inglés) calcula que las emisiones anuales promedio de un vehículo eléctrico son de 2817 libras (1278 kg) de CO2 frente a 12 594 libras (5714 kg) de CO2 de un vehículo que utiliza gasolina. Esa es una reducción del 78 % en la cantidad de CO2 emitido a la atmósfera.
Las estaciones de carga de vehículos eléctricos no tienen un impacto directo en la descarbonización, pero sin una sólida infraestructura de estaciones de carga rápida de corriente continua, la adopción de estos vehículos se verá limitada. La ansiedad por la autonomía sigue siendo un factor que contribuye a la falta de adopción de vehículos eléctricos. El noventa por ciento de las familias estadounidenses que poseen un vehículo eléctrico tienen otro tipo de vehículo. Estas estadísticas destacan que los consumidores no confían en que sus vehículos eléctricos puedan satisfacer todas sus necesidades, específicamente, en los viajes de larga distancia.
Desde 2009, el costo de la generación de energía solar fotovoltaica disminuyó cerca del noventa por ciento, lo cual hizo que fuera la fuente más económica de generación de energía a $37/MWh al 2020, en comparación con el carbón a $112/MWh y el gas natural a $59/MWh. La energía solar permite que el mundo genere energía con cero emisiones de CO2 y, a la vez, a menor costo que otras fuentes de energía. El SiC no puede atribuirse la reducción del costo en su totalidad, pero es un factor que contribuye a que disminuya el costo de la generación de energía solar.
El mundo avanza hacia el uso de más energía eléctrica, por lo tanto, es importante seguir mejorando la eficiencia de los equipos que consumen este tipo de energía. Los motores eléctricos representan entre el 40 % y el 50 % del consumo de electricidad del mundo. Es fundamental que estos motores eléctricos sean altamente eficientes, ya que una pequeña ganancia en la eficiencia se amplifica debido a la gran cantidad de estos motores en el mundo.
No solo el SiC ayuda a acelerar la descarbonización en las aplicaciones existentes, sino que habilita aplicaciones que antes no eran factibles. Un ejemplo de esto son los aviones eléctricos de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL, por sus siglas en inglés). Al igual que el SiC permite una autonomía ampliada en los vehículos eléctricos, también proporciona esa autonomía ampliada en eVTOL, lo cual los hace más prácticos.
Los semiconductores de SiC ayudan a acelerar la adopción estos sistemas finales al hacerlos más eficientes, confiables, sólidos, pequeños, livianos y con un menor costo general.
Permita que Arrow Electronics sea su guía con respecto al SiC
Como con cualquier nueva tecnología, habrá cambios rápidos y dificultades para superar. Arrow Electronics trabajó con su cartera líder de proveedores de SiC para desarrollar experiencia y herramientas que concreten esta transición a SiC de manera exitosa y rápida. Estos proveedores de SiC incluyen Infineon Technologies, Microchip Technology, onsemi, ST Microelectronics y Wolfspeed.
Para obtener todos los beneficios del SiC, es necesario volver a evaluar el diseño completo, lo cual exige que los diseñadores de sistemas seleccionen nuevos indicadores de compuertas, sensores de corriente, capacitores, magnetos, conectores e incluso el controlador. En reconocimiento de esto, Wolfspeed y Arrow Electronics trabajaron en conjunto para desarrollar SpeedVal Kit™ de Wolfspeed, una plataforma de evaluación modular para SiC. Permite que un diseñador de sistema evalúe de manera rápida diferentes dispositivos de SiC en combinación con varios indicadores de compuertas y controladores en un entorno “plug-and-play” (conectar y usar).
El SiC tiene claras ventajas frente a las tecnologías de Si, lo cual permite que el mundo avance hacia la descarbonización. Arrow Electronics se posiciona de manera única para ayudar a acelerar la adopción del SiC y el movimiento hacia la descarbonización con su experiencia especializada en potencia alta y cartera líder de proveedores.
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