Las aplicaciones automotrices están impulsando el desarrollo de tecnologías de semiconductores más eficientes desde el punto de vista energético. Por ejemplo, se emplea la banda prohibida amplia (WBG) para muchos casos de uso en automóviles y para la infraestructura de apoyo, como la carga de vehículos eléctricos (EV).
Su banda prohibida más grande es lo que diferencia a las tecnologías WBG de los semiconductores convencionales o de silicio heredados. Esta banda prohibida es la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción; esta diferencia permite que los dispositivos de potencia de semiconductores WBG funcionen con tensiones, temperaturas y frecuencias más altas, y esto es posible gracias al uso de nuevos materiales emergentes que no son de silicio.
La electrónica de potencia (PE) WBG representa un pequeño pero creciente segmento de la PE. Los dispositivos PE WBG se utilizan para conversión, control y procesamiento de la electricidad. Debido a que los dispositivos de potencia de semiconductores WBG permiten una generación, transmisión y consumo de energía más eficientes, resultan ideales para muchas aplicaciones automotrices.
Tener en cuenta las brechas… o las bandas y los materiales
La banda prohibida para materiales de semiconductores típicos, como el silicio, oscila entre 1 y 1,5 electronvoltios (eV), mientras que los semiconductores WBG tienen bandas prohibidas más grandes en el rango de los 2 a 4 eV. En esencia, una banda prohibida más amplia es mejor porque un semiconductor WBG puede operar a temperaturas máximas más altas que los componentes de silicio heredados, lo cual constituye una característica valiosa para las aplicaciones automotrices.
La banda prohibida de un material, tal como la definen los físicos, es la diferencia de energía entre el estado desocupado más bajo de la banda de conducción (la banda a la que pueden pasar esos componentes electrónicos) y el estado ocupado más alto de la banda de valencia, que es la banda de las órbitas de los electrones desde donde pasan los electrones cuando reciben excitación mediante la aplicación de energía. La energía requerida para que los electrones pasen de la banda de valencia a la banda de conducción está determinada por esta banda prohibida.
Además de la banda en sí, los materiales utilizados en los semiconductores WBG es lo que marca la diferencia con los semiconductores tradicionales. Los más comunes son el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC). Se prevé que el mercado para estas tecnologías supere los 6,9 millones de dólares para 2032.
El GaN tiene una banda prohibida de 3,2 eV, mientras que el SiC tiene una banda prohibida de 3,4 eV, lo que equivale a unas tres veces más en comparación con el silicio. Debido a sus mayores valores de banda prohibida, tanto GaN como SiC pueden admitir tensiones y frecuencias más altas que los componentes de silicio heredados, pero también difieren entre sí, y estos factores afectan la manera en que funcionan y sus casos de uso, incluso para las aplicaciones automotrices.
La diferencia más notable entre GaN y SiC es su velocidad, definida por la rapidez con la que la electrónica puede moverse a través del material semiconductor. La "movilidad electrónica" de GaN es un 30 % más rápida que la del silicio a 2000 cm2/Vs, mientras que la movilidad de los electrones de SiC es de 650 cm2/Vs. La mayor movilidad electrónica de GaN lo hace mejor para aplicaciones de alto rendimiento y alta frecuencia, mientras que la mayor conductividad térmica y el funcionamiento a menor frecuencia de SiC resultan más adecuados para aplicaciones de potencia más alta.
Estas diferencias explican por qué los semiconductores de GaN son adecuados para los dispositivos de RF que realizan la conmutación en el rango de los gigahercios, y por qué se usa SiC en vehículos eléctricos y centros de datos, en algunos diseños de energía solar, tracción ferroviaria, turbinas eólicas, distribución de red y aplicaciones de imágenes médicas e industriales, ya que tienden a requerir tensiones más altas y una mejor disipación del calor.
Dado que las tecnologías dominantes de silicio han comenzado a alcanzar límites de rendimiento en un número creciente de aplicaciones emergentes y existentes, tanto GaN como SiC ofrecen diversos beneficios cuando se usan en aplicaciones automotrices.
WBG puede resistir la presión
El beneficio general de los semiconductores WBG es que pueden soportar campos eléctricos más altos, soportar mayores tensiones y operar a frecuencias de conmutación más altas, lo cual mejora el rendimiento. También admiten temperaturas máximas más altas que los componentes de silicio heredados.
Las tecnologías WBG también pueden ser más pequeñas porque la conmutación es más rápida. La energía se entrega en paquetes más pequeños, lo que significa que se debe almacenar menos energía en los dispositivos inductivos y pasivos del circuito. Un tamaño más pequeño siempre resulta positivo para la automoción, sobre todo cuando esto permite una mayor potencia y una eficiencia energética más alta. Además, el peso del automóvil se reduce, lo que es bueno para la eficiencia de combustible y disminuye las emisiones de carbono. Esto es especialmente cierto para los vehículos eléctricos, ya que GaN y SiC tienen muchas aplicaciones no solo dentro del automóvil, sino también para la infraestructura de carga de estos vehículos.
Debido a que GaN permite sistemas de energía más pequeños, más eficientes y a menor costo, admite varios aspectos clave de la electrificación de vehículos: baterías más pequeñas y livianas, rendimiento de carga mejorado y mayor autonomía para vehículos eléctricos. GaN también admite aplicaciones de energía inalámbrica y capacidades de vehículos autónomos.
Una pieza crítica de la infraestructura de carga de los vehículos eléctricos (EV) es el cargador a bordo (OBC): cada EV necesita uno, y este debe poder convertir la alimentación de CA de la toma de pared en alimentación de CC que cargue la batería. Los transistores basados en GaN permiten que estos OBC sean más pequeños y livianos, lo que reduce el peso total del vehículo y amplía el rango de conducción. Los transistores de GaN también se utilizan como inversores de tracción que convierten CC en CA en la batería y aumentan el rango de conducción gracias a una mayor eficiencia energética.
Mientras tanto, la infraestructura de carga necesaria para respaldar la adopción de los EV está recibiendo la ayuda de la tecnología SiC a través de los productos de energía basados en SiC, los cuales incluyen encapsulados, diodos Schottky discretos, MOSFET y módulos de energía. Las mayores capacidades de conversión de energía, las velocidades de conmutación más rápidas y el rendimiento térmico mejorado hacen que SiC sea ideal para la infraestructura de carga rápida para vehículos eléctricos. Al igual que GaN, SiC admite dispositivos más pequeños y livianos que las opciones de silicio convencionales.
La tecnología SiC juega un rol fundamental en la creación de la infraestructura de carga rápida necesaria para calmar cualquier ansiedad sobre el alcance, la confiabilidad y la robustez de los vehículos eléctricos a nivel de los dispositivos del sistema que se requieren para una infraestructura de carga más rápida de los EV. A medida que los vehículos eléctricos aumentan su alcance mediante la adopción de baterías más livianas y de alta densidad de potencia, los OBC se vuelven bidireccionales gracias a las soluciones basadas en SiC que también pueden admitir aplicaciones de redes inteligentes y capacidades de comercio electrónico dentro de una infraestructura de carga rápida para los EV.
La flexibilidad también es clave para los diseños automotrices, algo que admiten las tecnologías GaN y SiC porque son más pequeñas, más livianas y más eficientes desde el punto de vista energético. Para que los EV realmente tomen vuelo, la infraestructura de carga de respaldo deberá adaptarse a muchos tipos diferentes de vehículos y partes interesadas, no solo a los conductores, sino también a los municipios y a los propietarios de negocios, quienes tendrán requisitos para las estaciones de carga que los diseñadores del sistema deberán cumplir.
Los semiconductores WBG ofrecen un excelente potencial para resolver problemas de energía en aplicaciones automotrices, así como en otras aplicaciones en energía alternativa y fuentes de alimentación ininterrumpida. Consulte este manual electrónico para obtener más información. Las crecientes necesidades de energía junto con la conciencia ambiental hacen que las tecnologías WBG resulten una excelente opción para los dispositivos de energía porque permiten reducir el tamaño, aumentar la eficiencia energética y disminuir el consumo general, lo cual es fundamental en el ámbito automotriz.
