El impacto del carburo de silicio en la electrónica de energía

Silicon Carbide, mejor conocido por su acrónimo SIC, ha hecho un resurgimiento increíble como un material importante. Esta notable sustancia ofrece propiedades físicas y electrónicas excepcionales.

Power Electronics ha sido revolucionado por un dispositivo innovador capaz de operar a temperaturas más altas, pérdidas de conmutación más bajas y resistencias de voltajes más altos, abriendo así la forma de aumentar el rango de conducción de EV y reducir el tamaño, el peso y el costo asociados con los sistemas de gestión de baterías.

El carburo de silicio es un material impresionante con el potencial de transformar la electrónica de alimentación. Su mayor tolerancia a la temperatura, capacidad de voltaje y respuesta de frecuencia hacen que sea superior a los dispositivos de silicio, mientras que su brecha de banda más amplia facilita el flujo de electricidad de manera más efectiva, lo que conduce a una mayor producción de energía con un uso reducido de energía.

Silicon es actualmente el material de referencia en dispositivos eléctricos, pero sus limitaciones se están volviendo claras. La industria de Power Electronics está en busca de dispositivos nuevos y más eficientes: los chips de carburo de silicio ofrecen varias ventajas sobre sus contrapartes de silicio cuando se trata de cambiar las pérdidas, resistencia a encendido y disipación de calor.

Silicon Carbide ha existido durante bastante tiempo, pero recientemente recientemente estuvo disponible como obleas de alta calidad. El carburo de silicio es un compuesto duro y frágil no metálico de silicio y carbono con estructura cristalina hexagonal; Su dureza aumenta cuando se expone a alto calor o presión y su estructura cristalina tiene múltiples polimorfos dopados con nitrógeno, fósforo, boro, aluminio o impurezas de galio para convertirse en un material semiconductor de tipo N o de tipo P.

Edward Acheson primero lo sintetizó artificialmente en 1891 cuando descubrió cristales negros mientras calentaba eléctricamente una mezcla de arena de sílice pura y coque de carbono. Aunque se encuentra naturalmente solo en pequeñas cantidades en meteoritos, la kimberlita, así como las piedras preciosas como la moissanita, sigue siendo un compuesto artificial.

Silicon Carbide (Carborundum) es un mineral industrial versátil con múltiples usos. Las aplicaciones comunes para TI incluyen el uso como aditivo abrasivo y de acero; Uno de sus materiales más duros jamás creados en la Tierra. El carburo de silicio también sirve como semiconductor y cerámica, que se encuentra naturalmente en minerales raros llamados moissanita o generalmente producido sintéticamente.

El ancho de banda de SIC le permite manejar voltajes y corrientes más altos que los dispositivos de silicio convencionales, así como soportar temperaturas de funcionamiento mucho más altas, lo que lo hace perfecto para la electrónica de energía y ayuda a reducir las pérdidas de conmutación al tiempo que aumenta la frecuencia de operación. Además, su excelente conductividad térmica facilita la disipación de calor para la operación de alta velocidad, mientras que su tasa de degradación mucho más baja que el silicio y otros semiconductores hace que SIC sea una elección de material atractivo.

Silicon Carbide Power Electronics permitirá a los servicios públicos almacenar menos electricidad en sus redes de distribución y centrales eléctricas, al tiempo que aumenta la dependencia de las fuentes renovables a través de un tamaño reducido y el costo de los circuitos de conversión de energía requeridos para conectar la energía eólica y solar con diferentes voltajes utilizados por la potencia.

Esta tecnología también se puede aplicar para entrenar sistemas de tracción, creando sistemas de transporte más eficientes y menos contaminantes. Además, esta aplicación permitirá vehículos eléctricos de batería más potentes y de mayor alcance, así como recuentos de componentes mecánicos más bajos en comparación con los vehículos de motor de combustión interna.

Seguridad

El carburo de silicio se ha convertido rápidamente en uno de los materiales de referencia para aplicaciones de electrónica de energía, debido a su capacidad para soportar voltajes más altos que los dispositivos de silicio tradicionales y ofrecer varias ventajas en términos de seguridad, eficiencia y confiabilidad. Además, este material es más ligero, más pequeño y más barato que sus pares como el nitruro de galio (GaN).

Power Electronics tiene muchas aplicaciones en la sociedad actual, como vehículos eléctricos, suministros de energía industrial y fuentes de energía renovable. Los transistores y diodos a base de carburo de silicio pueden resultar superiores debido a sus propiedades eléctricas superiores, como tiempos de conmutación más rápidos y pérdidas reducidas.

El carburo de silicio no solo cuenta con impresionantes propiedades eléctricas, sino que su conductividad térmica es solo superada del diamante en términos de conductividad térmica. Esto lo convierte en el material ideal para la electrónica de potencia que funciona en entornos hostiles que necesitan disipar el calor de manera eficiente.

Los IGBT y MOSFET de carburo de silicio cuentan con una mayor densidad de potencia, velocidades de conmutación más rápidas y un rendimiento térmico mejorado en comparación con sus contrapartes de silicio, lo que lleva a una mayor eficiencia energética y costos reducidos del sistema.

El carburo de silicio cuenta con muchas características físicas deseables; Sin embargo, crecer lo suficientemente grande para uso electrónico es un desafío. Jan Anthony Lely fue las primeras en producir grandes obleas de material de carburo de silicio en 1954 creando plaquetas en forma de hexágono de tamaño al azar de diferentes politis de cristal en un elemento de calentamiento resistivo eléctrico. Desde entonces, los métodos se han centrado en producir un monotipo llamado 4H utilizando procesos de alta temperatura.

Fiabilidad

El carburo de silicio es un material semiconductor con una banda de banda mucho más ancha que el silicio estándar, lo que le permite soportar voltajes y frecuencias más altos, lo que lo convierte en un excelente candidato para aplicaciones electrónicas de energía. Además, la tolerancia a la temperatura más alta del carburo de silicio hasta 300 grados centígrados en lugar de 175 para el silicio, reduce los requisitos de enfriamiento activos que agregan costos y complejidad.

Los dispositivos de energía basados en silicio tienen limitaciones inherentes con respecto a la capacidad del disipador de calor. Si bien los materiales alternativos pueden ofrecer ventajas adicionales sobre los silicio, sus propiedades mecánicas no se comparan favorablemente, lo que resulta en problemas de fatiga termomecánica de enlace de cable que pueden volverse particularmente problemáticos cuando se exponen a temperaturas más altas.

Hay formas de abordar estos desafíos. Los fabricantes pueden aumentar el tamaño de la oblea para mejorar la calidad y la confiabilidad. Además, los nuevos procesos para la preparación de obleas para la fabricación de dispositivos de energía, como la deposición de vapor químico (CVD) o el grabado del haz de iones, también pueden proporcionar soluciones.

La combinación de avance tecnológico de Silicon Carbide, ecosistema de proveedores establecido e inversiones públicas y privadas sustanciales hace que sea preparado para tener un efecto importante en la electrónica de potencia. El carburo de silicio ofrece varios beneficios que incluyen ganancias de eficiencia del 1 al 10%, pérdidas de cambio más bajas y un mejor rendimiento térmico.