Semiconductores de potencia
Semiconductores de potencia: Dispositivos construidos con el SiC (carburo de silicio), el GaN (nitruro de galio) y el diamante, han arraigado firmemente en aplicaciones de alta tensión y alta intensidad para controlar potencias de salida de entre un megavatio y varios gigavatios.
- La introducción de la tecnología de transmutación de neutrones en los años setenta del pasado siglo hizo posible la fabricación de dispositivos semiconductores de potencia con tensiones de bloqueo de más de 1.000 V. Sólo esta técnica permite producir silicio con la homogeneidad de dopado requerida, en esta categoría de tensiones el tiristor era el único dispositivo cuya tecnología se dominaba correctamente.
Pero sus aplicaciones eran muy limitadas, ya que este dispositivo no permitía el corte de Corriente alterna cuando el usuario lo necesitaba. En los años ochenta y noventa se unieron al tiristor varios dispositivos con capacidad de corte: el tiristor de corte de puerta o GTO (Gate Turn-Off Thyristor) y, posteriormente, El Transistor Bipolar con puerta aislada o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) y el tiristor conmutado con puerta integrada o IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor). =Durante las últimas décadas los semiconductores de potencia han revolucionado las aplicaciones con interruptores de potencia de silicio, convirtiéndolos en dispositivos muy eficientes, fiables y de cómoda aplicaciones en el manejo de alta tensión y alta intensidad, que está en el orden de los gigavatios. La más avanzada tecnología de transmisión de energía eléctrica y los sectores de estabilización de redes, no serían posibles sin la existencia de soluciones basadas en componentes semiconductores de potencia. Dado que la eficiencia y fiabilidad de los dispositivos semiconductores depende estrechamente de las condiciones de servicio y del diseño físico del sistema (eléctrico, térmico, mecánico).
Objetivos del diseño del IGBT y del IGCT
El objetivo común del diseño de interruptores para semiconductores de potencia de alta tensión (cuyos tipos más conocidos son el IGBT y el IGCT) es optimizar la combinación de la potencia en estado de conducción y las pérdidas en corte. En términos prácticos, esto significa que el semiconductor debe tener la mínima caída de tensión posible en la fase de conducción (es decir, debe crearse un plasma denso) sin que se originen pérdidas excesivamente altas en corte cuando se suprime el exceso de carga.
- El dopado del cuerpo de silicio de los semiconductores de potencia, es decir, la conductividad del sustrato, ha de reducirse continuamente y aumenta la tensión de ruptura buscada. En consecuencia, componentes que en estado activo pueden confiar en la conductividad de su substrato (los componentes unipolares o de portadores mayoritarios, como el MOSFET de potencia y el diodo Schottky), presentan capacidades de bloqueo superiores a 2001.000 V en estado de
conducción, demasiado altas para funcionar económicamente (el límite depende del tipo de componente y de la aplicación). Consecuentemente, los semiconductores de potencia de silicio de más de 600 V se suelen diseñar como dispositivos modulados por conductividad (plasma). El interior de un dispositivo de este tipo está saturado con un gran número de portadores de cargas positivas y negativas. Durante el corte, el componente recupera su capacidad de bloqueo creando un campo eléctrico desde la unión pn en el lado del cátodo hasta la zona n. La tensión de recuperación cubre el plasma desde el cátodo hasta el ánodo. Los portadores de carga cerca del cátodo son suprimidos a una baja tensión y, por tanto, generan bajas pérdidas en corte,mientras que los portadores próximos al ánodo fluyen fuera del dispositivo a una tensión alta, originando altas pérdidas.
El grosor mínimo de un semiconductor de potencia está predeterminado por la capacidad deseada de bloqueo y por la intensidad del campo de ruptura del silicio.
- La principal diferencia entre el IGBT e IGCT, es que el IGCT crea un plasma denso cerca del cátodo, mientras que el exceso de densidad de carga en el IGBT cae de forma relativamente brusca del ánodo al cátodo.
- El semiconductor debe tener la mínima caída de tensión posible en la fase de conducción sin que se originen pérdidas excesivamente altas en corte cuando se suprime el exceso de carga.
Además de la concepción con un cierto grosor adicional, la ruptura brusca se puede reducir mediante una hábil distribución de dopados en el lado del ánodo del componente. Los fabricantes emplean diferentes nombres para conceptos que son similares (al menos en su acción), por ejemplo, SPT (Soft Punch Through, Suave Perforación) [5] o FS (Field Stop, Parada de Campo) [6]. Debe señalarse también que para los usuarios es más importante que nunca limitar en lo posible las inductancias parásitas en sus sistemas, debido al diseño más agresivo de los componentes modernos. La segunda limitación es atribuible a la radiación cósmica. Si una partícula nuclear del espacio con alta energía, por ejemplo, un protón, choca contra un núcleo de silicio, la energía liberada genera una altísima cantidad de electrones y huecos. Si el dispositivo está en modo de bloqueo a alta tensión, estos portadores se multiplican a modo de avalancha debido a la alta intensidad de campo en el componente. Esto causa una ruptura muy localizada del componente, que puede dañar el dispositivo de forma irreparable. Por consiguiente, los fabricantes han desarrollado normas para el dimensionado, según las cuales los componentes se han de diseñar con respecto al grosor y la distribución de la intensidad de campo, para que la probabilidad de destrucción por radiación cósmica se limite a un grado aceptable. Esta norma especifica aproximadamente 1-3 FIT (fallos por unidad de tiempo) por cm de área superficial de componente, que corresponde a entre 1 y 3 fallos por cada mil millones de horas de operación y cm . La prueba de la tasa de fallos de nuevos componentes se suele obtener hoy día mediante bombardeo de protones o neutrones en aceleradores, que simula con suficiente exactitud el efecto de la radiación cósmica natural.
Ventajas
- En inversores de fuente de tensión sin limitación di/dt externa (como los circuitos típicos IGBT), dicha limitación ha de tener lugar mediante control del propio dispositivo de conmutación, lo que causa pérdidas sustanciales de conexión.
En inversores con altas tensiones, la combinación de las pérdidas de conexión del interruptor y las pérdidas derecuperación del diodo constituyen entre el 40 y 60 por ciento de las pérdidas totales del inversor, dependiendo de la frecuencia de conmutación. Pérdidas de conexión notablemente menores tienen lugar en un interruptor de silicio utilizado con un limitador di/dt pasivo,liberando al dispositivo de carga térmica y, en consecuencia, permitiendo en principio una mayor potencia de salida parael inversor. Sin embargo, debe señalarse que a pesar de todo se producen pérdidas, dado que se transfieren al circuito de circulación libre del limitador de di/dt.
- La segunda ventaja es que, como resultado de la limitación di/dt pasiva, la intensidad sólo puede aumentar con relativa lentitud cuando se produce una avería (por ejemplo, un cortocircuito en el puente inversor o en la carga).
- Existen dos estrategias efectivas para afrontar tales sucesos:
(a) Si la avería se detecta a tiempo, es posible hacer una desconexión normal; (b) La energía almacenada en el enlace de C se puede descargar activando todos los interruptores y dispersarla en todos los semiconductores (se puede dimensionar la inductancia L para mantener la intensidad de cortocircuito dentro de límites de seguros).
Fuentes
- Articulo http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_3.htmconsultado el 29 de Noviembre de 20011
- Articulo http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot271.nsf/VerityDisplay/D3B33C90D7066649C125723E0033FF4A/$File/34-39%204M676_SPA72dpi.pdf consultado el 29 de Noviembre de 20011
