Condensadores electrolíticos de polímero de aluminio
Apoyando la transición hacia el abandono de los combustibles fósiles con el poder de los componentes electrónicos
¿Cuáles son las condiciones para aumentar la eficiencia de la conversión de potencia y de los accionamientos de motores y para ampliar el uso de semiconductores de potencia de SiC y GaN?
Los gobiernos de todo el mundo y las empresas de todas las industrias y negocios se están uniendo en los esfuerzos para lograr la neutralidad del carbono (Fig. 1). Se están adoptando todas las medidas de descarbonización polifacéticas imaginables. Esto incluye, por ejemplo, la utilización de energías renovables como la solar, la electrificación de equipos que antes se utilizaban quemando combustibles fósiles, y la reducción del consumo de energía de dispositivos existentes como electrodomésticos, equipos informáticos y motores industriales.
Varios países y regiones han introducido mecanismos de tarificación del carbono como sistemas para trasladar las emisiones de gases de efecto invernadero de las actividades empresariales a los costes. Como resultado, además de tener sentido como contribución social, las iniciativas de carbonización tienen ahora un claro impacto numérico en los estados financieros que sirven de boletín de calificaciones para la gestión empresarial.
Cambio de modelo completo en los materiales semiconductores por primera vez en 50 años
Se ha producido un aumento de la actividad en favor de los esfuerzos de descarbonización. En este contexto, hay un campo de los semiconductores en el que el ritmo del movimiento de innovación tecnológica se está acelerando rápidamente. Se trata del campo de los semiconductores de potencia.
Los semiconductores de potencia son dispositivos semiconductores que gestionan, controlan y convierten la energía necesaria para el funcionamiento de los equipos eléctricos y electrónicos. Estos dispositivos se integran en los llamados circuitos electrónicos de potencia. Estos circuitos incluyen circuitos de potencia que suministran de forma estable energía de accionamiento a electrodomésticos y equipos informáticos, circuitos de conversión de potencia para transmitir y distribuir energía sin derroches, y circuitos que accionan motores con alta eficiencia a un par y velocidad de giro que pueden controlarse libremente. Estos semiconductores de potencia, que son dispositivos clave para hacer realidad una sociedad sostenible, han empezado ahora a experimentar un cambio de modelo completo que se produce una vez cada 50 años.
Los semiconductores de potencia tienen varias estructuras de dispositivos, como MOSFET*1, IGBT*2 y diodos. Se utilizan de forma diferente según su finalidad. Sin embargo, aunque la estructura difiere, el silicio (Si) se ha utilizado sistemáticamente durante más de 50 años como material del dispositivo. Esto se debe a que el Si tiene buenas características eléctricas y la propiedad de ser fácil de procesar en varias estructuras de dispositivos al mismo tiempo.
*1: Un transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET) es un tipo de transistor de efecto de campo. Funciona como un interruptor eléctrico. Estos transistores constan de tres capas: un metal, un óxido y un semiconductor. La corriente se activa y desactiva aplicando una tensión al electrodo llamado puerta.
*2: Un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un transistor con una estructura que combina un MOSFET y un transistor bipolar. Se caracteriza por combinar el funcionamiento a alta velocidad del MOSFET con la alta tensión soportada y la baja resistencia del transistor bipolar.
Sin embargo, los semiconductores de potencia basados en Si ya no son capaces de superar el alto nivel de requisitos técnicos para seguir reduciendo el consumo de energía de diversos equipos eléctricos y electrónicos. Para superar esta situación, se está avanzando en la utilización de nuevos materiales como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), más adecuados que el Si como materiales para semiconductores de potencia. El SiC y el GaN tienen múltiples propiedades físicas y características adecuadas para los semiconductores de potencia. Entre ellas están su intensidad de campo de ruptura dieléctrica (afecta a la tensión soportada), su movilidad (afecta a la velocidad de funcionamiento) y su conductividad térmica (afecta a la fiabilidad). Si somos capaces de desarrollar un dispositivo que ponga de manifiesto esas excelentes características, podremos realizar semiconductores de potencia con un rendimiento aún mayor.
Ya se han comercializado MOSFET y diodos basados en SiC. Se utilizan en inversores de motores de vehículos eléctricos, convertidores CC/CA de acondicionadores de potencia para generación de energía solar y otros equipos. También se han comercializado HEMT*3 basados en GaN. Actualmente se utilizan en convertidores de CA para ordenadores ultrapequeños, cargadores de teléfonos inteligentes y otros equipos.
*3: Un transistor de alta movilidad de electrones (HEMT) es un transistor de efecto de campo que permite conmutar a alta velocidad uniendo semiconductores con propiedades diferentes para inducir electrones con alta movilidad.
La evolución de condensadores, inductores y otros equipos es esencial para extraer el potencial del SiC y el GaN
No es posible aprovechar todo el potencial de los semiconductores de potencia fabricados con nuevos materiales simplemente sustituyendo los dispositivos basados en Si de los circuitos electrónicos de potencia existentes. Esto se debe a que los demás circuitos integrados semiconductores, los componentes pasivos e incluso el software de control que componen los circuitos de electrónica de potencia se han desarrollado y seleccionado partiendo del supuesto de que se utilizarían en semiconductores de potencia basados en Si. Es necesario volver a desarrollar y seleccionar también estos componentes periféricos para utilizar eficazmente los nuevos semiconductores de potencia basados en materiales.
Por ejemplo, se están utilizando numerosos HEMT de GaN en circuitos convertidores CA/CC que han adoptado HEMT de GaN introducidos recientemente para reducir el consumo de energía en las fuentes de alimentación de los servidores de los centros de datos (Fig. 2). Es posible mejorar la frecuencia de conmutación (frecuencia de funcionamiento) de los circuitos electrónicos de potencia utilizando las características de los HEMT de GaN en el sentido de que permiten conmutar a alta velocidad a tensiones elevadas. El valor de reactancia de los condensadores integrados en los circuitos y de los inductores en los circuitos de procesamiento de señales de reactancia puede ser menor en los circuitos con una frecuencia de funcionamiento elevada. En general, los componentes de baja reactancia tienen un tamaño reducido. Por lo tanto, es posible reducir el tamaño de la placa del circuito y mejorar la densidad de potencia. Del mismo modo, la introducción de MOSFET de SiC incluso en los circuitos inversores que accionan los motores de los VE y otros componentes permite reducir el tamaño de los componentes periféricos, así como hacer más pequeños y ligeros los circuitos inversores en su conjunto.
Por otro lado, las fuentes de alimentación conmutadas de alta tensión y alta velocidad pueden generar un alto nivel de ruido. Existe la posibilidad de que el ruido afecte negativamente al funcionamiento de los equipos periféricos. Las fuentes de alimentación que incluyen semiconductores de potencia fabricados con SiC y GaN conmutan a una frecuencia aún mayor. Por lo tanto, el riesgo de que se produzcan ruidos aumenta aún más. En consecuencia, se requiere una supresión del ruido más estricta que cuando se utilizan los circuitos electrónicos de potencia existentes. En ese momento, es necesario utilizar componentes de supresión de ruido diseñados para ser aplicados a circuitos de alta tensión, gran corriente y alta frecuencia, en lugar de aquellos para circuitos convencionales.
Además, también se necesitan transformadores pequeños que funcionen a frecuencias aún más altas para transformadores que son componentes especialmente pesados, incluso entre los componentes pasivos. Ya se han desarrollado y lanzado al mercado transformadores planares de bajo perfil y otros componentes bajo el supuesto de que se utilizarán en semiconductores de potencia basados en SiC y GaN.
La atención se centra en la evolución de los componentes periféricos, además de los semiconductores de potencia
Hasta ahora se han fabricado varios tipos de semiconductores basados en Si, sin limitarse a los semiconductores de potencia. Por ello, muchos componentes electrónicos existentes se han desarrollado bajo el supuesto implícito de que se utilizarán combinándolos con semiconductores basados en Si. Para maximizar el efecto de la introducción de semiconductores de potencia fabricados con nuevos materiales, puede resultar necesario desarrollar nuevos productos que se adapten a los nuevos requisitos técnicos, en lugar de limitarse a buscar productos aún mejores entre los componentes existentes.
En general, los semiconductores de potencia basados en Si tienden a funcionar a velocidades más bajas cuanto mayor es la tensión y la corriente que pueden manejar (Fig. 3). Esa es la razón por la que no hay suficientes condensadores y reactancias pequeños que puedan manejar tensiones altas y corrientes grandes. Además, existe una tendencia a simplificar el sistema de disipación de calor y a reducir el tamaño, el peso y el coste de los semiconductores de potencia basados en SiC que pueden funcionar de forma estable a altas temperaturas. En estos casos, los componentes pasivos también necesitan tener garantizada una alta fiabilidad en un entorno de altas temperaturas.
La introducción de nuevos materiales en el campo de los semiconductores de potencia es un paso importante para actualizar el ecosistema eléctrico y electrónico, optimizado para los materiales de Si desde hace más de 50 años. Por ello, también queremos prestar mucha atención a la evolución de los componentes electrónicos periféricos optimizados para los nuevos materiales.
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