¿Cuál es la diferencia entre nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC)?

El silicio ha dominado el mundo de los transistores durante décadas. Pero eso está cambiando. Se han desarrollado semiconductores compuestos compuestos por dos o tres materiales que ofrecen ventajas únicas y propiedades superiores. Por ejemplo, con los semiconductores compuestos, desarrollamos diodos emisores de luz (LED). Un tipo está compuesto por arseniuro de galio (GaAs) y arseniuro de galio y fósforo (GaAsP). Otros usan indio y fósforo. El problema es que los semiconductores compuestos son más difíciles de fabricar y más caros. Sin embargo, tienen importantes ventajas sobre el silicio. Las aplicaciones nuevas y más exigentes, como los sistemas eléctricos automotrices y los vehículos eléctricos (EV), están descubriendo que los semiconductores compuestos cumplen mejor con sus estrictas especificaciones.

Como esquemas han surgido dos dispositivos semiconductores compuestos, transistores de potencia de nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC). Estos dispositivos compiten con los MOSFET de semiconductores de óxido metálico de difusión transversal (LDMOS) de potencia de silicio de larga duración y los MOSFET de superunión. Los dispositivos GaN y SiC son similares en algunos aspectos, pero también existen diferencias significativas. Este artículo compara los dos y proporciona algunos ejemplos para ayudarle a decidir su próximo diseño.

Semiconductor de banda prohibida ancha

Los semiconductores compuestos se conocen como dispositivos de banda prohibida ancha (WBG). Dejando de lado las estructuras reticulares, los niveles de energía y otras físicas de semiconductores que nos preocupan, digamos simplemente que la definición de WBG es un modelo que intenta describir cómo fluye la corriente (electrones) en un semiconductor compuesto. Los semiconductores compuestos WBG tienen una mayor movilidad de electrones y una mayor energía de banda prohibida, lo que se traduce en propiedades superiores a las del silicio. Los transistores fabricados con semiconductores compuestos WBG tienen un mayor voltaje de ruptura y tolerancia a altas temperaturas. Estos dispositivos ofrecen ventajas sobre el silicio en aplicaciones de alto voltaje y alta potencia.

Los transistores WBG también cambian más rápido que el silicio, lo que les permite operar a frecuencias más altas. Una menor resistencia "on" significa que disipan menos energía, lo que mejora la eficiencia energética. Esta combinación única de características hace que estos dispositivos sean atractivos para algunos de los circuitos más exigentes en aplicaciones automotrices, especialmente vehículos híbridos y eléctricos. Los transistores GaN y SiC están cada vez más disponibles para afrontar los desafíos de los equipos eléctricos automotrices.

Los principales puntos de venta de los dispositivos GaN y SiC son estas ventajas:

Capacidad de alto voltaje, disponible en dispositivos de 650 V, 900 V y 1200 V.

Velocidad de conmutación más rápida.

Mayor temperatura de funcionamiento.

Menor resistencia, mínima disipación de energía y mayor eficiencia energética.

transistores GaN

En el campo de la energía de radiofrecuencia (RF), se descubrió que los transistores GaN tenían oportunidades comerciales tempranas. La naturaleza del material permitió el desarrollo de transistores de efecto de campo (FET) en modo de agotamiento. Los FET de tipo agotamiento (o tipo D), conocidos como transistores de pseudoestado de alta movilidad de electrones (PHEMT), son dispositivos naturalmente "en funcionamiento"; Como no hay entrada de control de puerta, existe un canal de conducción natural. La señal de entrada de puerta controla el encendido, encendido y apagado del canal del dispositivo.

Dado que en las aplicaciones de conmutación, normalmente se prefieren dispositivos mejorados (o de tipo E) "apagados", esto ha llevado al desarrollo de dispositivos GaN de tipo E. La primera es una cascada de dos dispositivos FET (Figura 2). Ahora, están disponibles dispositivos GaN estándar de tipo E. Se pueden encender y apagar a frecuencias de hasta 10 megahercios y con una potencia de decenas de kilovatios.

Los dispositivos GaN se utilizan ampliamente en dispositivos inalámbricos como amplificadores de potencia con frecuencias de hasta 100 GHz.Algunos de los principales casos de uso son amplificadores de potencia de estaciones base celulares, radares militares, transmisores satelitales y amplificación de RF de uso general.Sin embargo, debido al alto voltaje (hasta 1000 V), la alta temperatura y la conmutación rápida, también se incorporan en diversas aplicaciones de potencia de conmutación, como convertidores CC-CC, inversores y cargadores de baterías.

transistores de sic

Los transistores de SiC son MOSFET naturales de tipo E. Estos dispositivos pueden conmutar a frecuencias de hasta 1 MHz, con niveles de voltaje y corriente mucho más altos que los MOSFET de silicio. El voltaje máximo de fuente de drenaje es de hasta aproximadamente 1800 V y la capacidad actual es de 100 amperios. Además, los dispositivos de SiC tienen una resistencia de encendido mucho menor que los MOSFET de silicio, lo que los hace más eficientes energéticamente en todas las aplicaciones de fuente de alimentación conmutada (diseños SMPS). Un inconveniente clave es que requieren un voltaje de accionamiento de compuerta más alto que otros MOSFET, pero con mejoras en el diseño, esto ya no es un inconveniente.

Los dispositivos de SiC requieren voltajes de puerta de 18 a 20 voltios para atravesar dispositivos con baja resistencia de encendido. Los MOSFET de Si estándar requieren menos de 10 voltios de puerta para ser completamente conductores. Además, los dispositivos de SiC requieren un controlador de puerta de -3 a -5 V para pasar al estado apagado. Sin embargo, se han desarrollado circuitos integrados de controladores de puerta dedicados para satisfacer esta necesidad.Los MOSFET de SiC son generalmente más caros que otras alternativas, pero sus capacidades de alto voltaje y alta corriente los hacen muy adecuados para su uso en circuitos de energía de automóviles.

Competencia por los transistores WBG

Tanto los dispositivos de GaN como los de SiC compiten con otros semiconductores maduros, especialmente los MOSFET LDMOS de silicio, los MOSFET de súper unión y los IGBT. En muchas aplicaciones, estos dispositivos más antiguos están siendo reemplazados gradualmente por transistores de GaN y SiC. Por ejemplo, los IGBT están siendo sustituidos por dispositivos de SiC en muchas aplicaciones. Los dispositivos de SiC se pueden encender y apagar a frecuencias más altas (100 KHZ + frente a 20 KHZ), lo que permite reducir el tamaño y el costo de cualquier inductor o transformador y al mismo tiempo mejorar la eficiencia energética. Además, el SiC puede manejar corrientes mucho mayores que el GaN.

Para resumir la comparación entre GaN y SiC, estos son los aspectos más destacados:

GaN cambia más rápido que Si.

El SiC tiene un voltaje de funcionamiento más alto que el GaN.

El SiC requiere un alto voltaje de accionamiento de puerta.

Los MOSFET de superunión están siendo reemplazados gradualmente por GaN y SiC. El SiC parece ser el favorito para los cargadores de coche (OBC). Sin duda, esta tendencia continuará a medida que los ingenieros descubran dispositivos más nuevos y adquieran experiencia en su uso.

Aplicaciones automotrices

Muchos circuitos y dispositivos de potencia para aplicaciones automotrices pueden mejorarse mediante el diseño de GaN y SiC. Uno de los mayores beneficiarios son los sistemas eléctricos de los automóviles. Los vehículos híbridos y eléctricos puros modernos contienen dispositivos que pueden utilizar estos dispositivos. Algunas de estas aplicaciones populares son OBC, convertidores CC-CC, controladores de motor y radar láser (LiDAR).

Convertidor CC-CC. Este es un circuito de suministro de energía que convierte un voltaje alto de la batería en un voltaje más bajo para hacer funcionar otros equipos eléctricos. El rango de voltaje actual de la batería es de hasta 600 o 900 voltios. El convertidor DC-DC lo reduce a 48 voltios o 12 voltios, o ambos, para el funcionamiento de otros componentes electrónicos. En los vehículos eléctricos híbridos y los vehículos eléctricos (HEVEV), DC-DC también se puede utilizar como bus de alto voltaje entre la batería y el inversor.

Cargador de coche (OBC). Los HEVEV y EV enchufables incluyen un cargador de batería interno que se puede conectar a una fuente de alimentación de CA. Esto permite cargar en casa sin necesidad de un cargador externo AC-DC.

Controlador del motor de accionamiento principal. El motor de accionamiento principal es un motor de CA de alto rendimiento que impulsa las ruedas del vehículo. El controlador es un inversor que convierte el voltaje de la batería en corriente alterna trifásica para hacer funcionar el motor.

LiDAR. LiDAR se refiere a una tecnología que combina métodos de luz y radar para detectar e identificar objetos circundantes. Escanea un área de 360 ​​grados con un láser infrarrojo pulsado y detecta la luz reflejada. Esta información se traduce en imágenes tridimensionales detalladas a una distancia de unos 300 metros, con una resolución de unos pocos centímetros. Su alta resolución lo convierte en un sensor ideal para vehículos, especialmente de conducción autónoma, para mejorar el reconocimiento de objetos cercanos. Los dispositivos LiDAR funcionan en el rango de voltaje CC de 12 a 24 voltios, que se deriva de un convertidor CC-CC. Debido a que los transistores GaN y SiC se caracterizan por su alto voltaje, alta corriente y conmutación rápida, brindan a los diseñadores eléctricos automotrices diseños flexibles y más simples y un rendimiento superior.

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