Un dispositivo semiconductor de potencia es un dispositivo semiconductor que se utiliza como interruptor o rectificador en electrónica de potencia (por ejemplo, en una fuente de alimentación conmutada ). Este tipo de dispositivo también se denomina dispositivo de potencia o, cuando se utiliza en un circuito integrado , CI de potencia .
Un dispositivo semiconductor de potencia se utiliza normalmente en "modo de conmutación" (es decir, está encendido o apagado) y, por lo tanto, tiene un diseño optimizado para dicho uso; por lo general, no se debe utilizar en funcionamiento lineal. Los circuitos de potencia lineales se utilizan ampliamente en reguladores de voltaje, amplificadores de audio y amplificadores de radiofrecuencia.
Los semiconductores de potencia se encuentran en sistemas que suministran tan sólo unas pocas decenas de milivatios para un amplificador de auriculares, hasta alrededor de un gigavatio en una línea de transmisión de corriente continua de alto voltaje .
El primer dispositivo electrónico utilizado en circuitos de potencia fue el rectificador electrolítico , una versión temprana fue descrita por un experimentador francés, A. Nodon, en 1904. Estos fueron populares durante un breve período entre los primeros experimentadores de radio, ya que podían improvisarse a partir de láminas de aluminio y productos químicos domésticos. Tenían voltajes de resistencia bajos y una eficiencia limitada. [1]
Los primeros dispositivos semiconductores de potencia de estado sólido fueron los rectificadores de óxido de cobre, utilizados en los primeros cargadores de baterías y fuentes de alimentación para equipos de radio, anunciados en 1927 por LO Grundahl y PH Geiger. [2]
El primer dispositivo semiconductor de potencia de germanio apareció en 1952 con la introducción del diodo de potencia por parte de RN Hall . Tenía una capacidad de bloqueo de voltaje inverso de 200 V y una corriente nominal de 35 A.
Los transistores bipolares de germanio con capacidades de manejo de potencia sustanciales (corriente de colector de 100 mA) se introdujeron alrededor de 1952; con esencialmente la misma construcción que los dispositivos de señal, pero mejor disipación de calor. La capacidad de manejo de potencia evolucionó rápidamente y en 1954 estaban disponibles los transistores de unión de aleación de germanio con disipación de 100 vatios. Todos estos eran dispositivos de frecuencia relativamente baja, utilizados hasta alrededor de 100 kHz y hasta 85 grados Celsius de temperatura de unión. [3] Los transistores de potencia de silicio no se fabricaron hasta 1957, pero cuando estuvieron disponibles tenían una mejor respuesta de frecuencia que los dispositivos de germanio y podían funcionar hasta una temperatura de unión de 150 C.
El tiristor apareció en 1957. Es capaz de soportar tensiones de ruptura inversas muy altas y también es capaz de transportar corrientes elevadas. Sin embargo, una desventaja del tiristor en los circuitos de conmutación es que una vez que se "engancha" en el estado de conducción, no se puede apagar mediante un control externo, ya que el apagado del tiristor es pasivo, es decir, la energía debe desconectarse del dispositivo. Los tiristores que se pueden apagar, llamados tiristores de apagado por compuerta (GTO), se introdujeron en 1960. [4] Estos superan algunas limitaciones del tiristor ordinario, porque se pueden encender o apagar con una señal aplicada.
El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960 [5] [6] [7] [8] [9] [10] Las generaciones de transistores MOSFET permitieron a los diseñadores de potencia lograr niveles de rendimiento y densidad que no eran posibles con los transistores bipolares. [11] Debido a las mejoras en la tecnología MOSFET (inicialmente utilizada para producir circuitos integrados ), el MOSFET de potencia estuvo disponible en la década de 1970.
En 1969, Hitachi introdujo el primer MOSFET de potencia vertical, [12] que más tarde se conocería como VMOS (V-groove MOSFET). [13] A partir de 1974, Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony y Toshiba comenzaron a fabricar amplificadores de audio con MOSFET de potencia. [14] International Rectifier introdujo un MOSFET de potencia de 25 A y 400 V en 1978. [15] Este dispositivo permite el funcionamiento a frecuencias más altas que un transistor bipolar, pero está limitado a aplicaciones de bajo voltaje.
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) se desarrolló en la década de 1980 y se volvió ampliamente disponible en la década de 1990. Este componente tiene la capacidad de manejo de potencia del transistor bipolar y las ventajas del control de puerta aislada del MOSFET de potencia.
Algunos dispositivos de potencia comunes son el MOSFET de potencia , el diodo de potencia , el tiristor y el IGBT . El diodo de potencia y el MOSFET de potencia funcionan según principios similares a sus contrapartes de baja potencia, pero pueden transportar una mayor cantidad de corriente y, por lo general, pueden soportar un mayor voltaje de polarización inversa en el estado apagado .
A menudo se realizan cambios estructurales en un dispositivo de potencia para adaptarse a una mayor densidad de corriente, una mayor disipación de potencia y/o una mayor tensión de ruptura inversa. La gran mayoría de los dispositivos de potencia discretos (es decir, no integrados) se construyen utilizando una estructura vertical, mientras que los dispositivos de pequeña señal emplean una estructura lateral. Con la estructura vertical, la corriente nominal del dispositivo es proporcional a su área y la capacidad de bloqueo de voltaje se logra en la altura del chip. Con esta estructura, una de las conexiones del dispositivo se encuentra en la parte inferior del chip semiconductor .
El MOSFET de potencia es el dispositivo de potencia más común en el mundo, debido a su bajo consumo de energía de accionamiento de compuerta, rápida velocidad de conmutación y capacidad avanzada de paralelismo. [16] Tiene una amplia gama de aplicaciones electrónicas de potencia , como dispositivos de información portátiles , circuitos integrados de potencia, teléfonos celulares , computadoras portátiles y la infraestructura de comunicaciones que permite Internet . [17] A partir de 2010, el MOSFET de potencia representa la mayoría (53%) del mercado de transistores de potencia, seguido por el IGBT (27%), luego el amplificador de RF (11%) y luego el transistor de unión bipolar (9%). [18]
Un dispositivo de potencia puede clasificarse en una de las siguientes categorías principales (ver figura 1):
Otra clasificación es menos obvia, pero tiene una fuerte influencia en el rendimiento del dispositivo:
Un dispositivo portador mayoritario es más rápido, pero la inyección de carga de los dispositivos portadores minoritarios permite un mejor rendimiento en estado activo.
Un diodo ideal debe tener las siguientes características:
En realidad, el diseño de un diodo es un equilibrio entre el rendimiento en estado encendido, estado apagado y conmutación. De hecho, la misma área del dispositivo debe sostener la tensión de bloqueo en el estado apagado y permitir el flujo de corriente en el estado encendido; como los requisitos para los dos estados son completamente opuestos, un diodo debe optimizarse para uno de ellos o debe permitirse un tiempo para cambiar de un estado al otro (es decir, debe reducirse la velocidad de conmutación).
Estas ventajas y desventajas son las mismas para todos los dispositivos de potencia; por ejemplo, un diodo Schottky tiene una velocidad de conmutación y un rendimiento excelentes en estado encendido, pero un alto nivel de corriente de fuga en estado apagado. Por otro lado, un diodo PIN está disponible comercialmente en diferentes velocidades de conmutación (los llamados rectificadores "rápidos" y "ultrarrápidos"), pero cualquier aumento en la velocidad está necesariamente asociado con un menor rendimiento en estado encendido.
En el caso de los interruptores, también existen compensaciones entre los valores nominales de voltaje, corriente y frecuencia. De hecho, cualquier semiconductor de potencia se basa en una estructura de diodo PIN para mantener el voltaje; esto se puede ver en la figura 2. El MOSFET de potencia tiene las ventajas de un dispositivo de portador mayoritario, por lo que puede alcanzar una frecuencia de operación muy alta, pero no se puede utilizar con voltajes altos; como es un límite físico, no se espera ninguna mejora en el diseño de un MOSFET de silicio en lo que respecta a sus valores nominales de voltaje máximo. Sin embargo, su excelente rendimiento en aplicaciones de bajo voltaje lo convierte en el dispositivo de elección (en realidad, la única opción, actualmente) para aplicaciones con voltajes inferiores a 200 V. Al colocar varios dispositivos en paralelo, es posible aumentar la corriente nominal de un interruptor. El MOSFET es particularmente adecuado para esta configuración, porque su coeficiente térmico positivo de resistencia tiende a generar un equilibrio de corriente entre los dispositivos individuales.
El IGBT es un componente reciente, por lo que su rendimiento mejora regularmente a medida que la tecnología evoluciona. Ya ha reemplazado por completo al transistor bipolar en aplicaciones de potencia; existe un módulo de potencia en el que se conectan varios dispositivos IGBT en paralelo, lo que lo hace atractivo para niveles de potencia de hasta varios megavatios, lo que empuja aún más el límite en el que los tiristores y los GTO se convierten en la única opción. Básicamente, un IGBT es un transistor bipolar controlado por un MOSFET de potencia; tiene las ventajas de ser un dispositivo de portador minoritario (buen rendimiento en estado encendido, incluso para dispositivos de alta tensión), con la alta impedancia de entrada de un MOSFET (se puede activar o desactivar con una cantidad muy baja de potencia).
La principal limitación del IGBT para aplicaciones de bajo voltaje es la alta caída de voltaje que exhibe en el estado encendido (2 a 4 V). Comparado con el MOSFET, la frecuencia de operación del IGBT es relativamente baja (usualmente no mayor a 50 kHz), principalmente debido a un problema durante el apagado conocido como cola de corriente : la lenta caída de la corriente de conducción durante el apagado resulta de una recombinación lenta de una gran cantidad de portadores que inundan la región de "deriva" gruesa del IGBT durante la conducción. El resultado neto es que la pérdida de conmutación de apagado de un IGBT es considerablemente mayor que su pérdida de encendido. Generalmente, en las hojas de datos, la energía de apagado se menciona como un parámetro medido; ese número debe multiplicarse por la frecuencia de conmutación de la aplicación prevista para estimar la pérdida de apagado.
En niveles de potencia muy altos, todavía se suele utilizar un dispositivo basado en tiristores (por ejemplo, un SCR , un GTO, un MCT , etc.). Este dispositivo se puede activar mediante un pulso proporcionado por un circuito de control, pero no se puede desactivar eliminando el pulso. Un tiristor se apaga tan pronto como deja de fluir corriente a través de él; esto sucede automáticamente en un sistema de corriente alterna en cada ciclo, o requiere un circuito con los medios para desviar la corriente alrededor del dispositivo. Tanto los MCT como los GTO se han desarrollado para superar esta limitación y se utilizan ampliamente en aplicaciones de distribución de energía .
Algunas aplicaciones de los semiconductores de potencia en modo conmutado incluyen reguladores de intensidad de lámparas , fuentes de alimentación en modo conmutado , cocinas de inducción , sistemas de encendido de automóviles y controladores de motores eléctricos de CA y CC de todos los tamaños.
Los amplificadores funcionan en la región activa, donde tanto la corriente como el voltaje del dispositivo son distintos de cero. En consecuencia, la potencia se disipa continuamente y su diseño está dominado por la necesidad de eliminar el exceso de calor del dispositivo semiconductor. Los dispositivos amplificadores de potencia a menudo se pueden reconocer por el disipador de calor utilizado para montar los dispositivos. Existen múltiples tipos de dispositivos amplificadores de semiconductores de potencia, como el transistor de unión bipolar, el transistor de efecto de campo MOS vertical y otros. Los niveles de potencia de los dispositivos amplificadores individuales varían hasta cientos de vatios, y los límites de frecuencia varían hasta las bandas de microondas inferiores . Un amplificador de potencia de audio completo, con dos canales y una potencia nominal del orden de decenas de vatios, se puede colocar en un pequeño paquete de circuito integrado, necesitando solo unos pocos componentes pasivos externos para funcionar. Otra aplicación importante para los amplificadores de modo activo es en las fuentes de alimentación reguladas lineales, cuando un dispositivo amplificador se utiliza como regulador de voltaje para mantener el voltaje de carga en un ajuste deseado. Si bien una fuente de alimentación de este tipo puede ser menos eficiente energéticamente que una fuente de alimentación de modo conmutado , la simplicidad de aplicación las hace populares, especialmente en rangos de corriente de hasta aproximadamente un amperio.
La función del embalaje es:
Muchos de los problemas de fiabilidad de un dispositivo de potencia están relacionados con el exceso de temperatura o con la fatiga debida a los ciclos térmicos. Actualmente se están llevando a cabo investigaciones sobre los siguientes temas:
También se están realizando investigaciones sobre cuestiones eléctricas como la reducción de la inductancia parásita de los envases; esta inductancia limita la frecuencia de funcionamiento, porque genera pérdidas durante la conmutación.
Un MOSFET de bajo voltaje también está limitado por la resistencia parásita de su encapsulado, ya que su resistencia intrínseca en estado encendido es tan baja como uno o dos miliohmios.
Algunos de los tipos más comunes de paquetes de semiconductores de potencia incluyen TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, D 2 Pak, etc.
El diseño del IGBT todavía está en desarrollo y se puede esperar que proporcione aumentos en los voltajes de operación. En el extremo de alta potencia del rango, el tiristor controlado por MOS es un dispositivo prometedor. Lograr una mejora importante sobre la estructura MOSFET convencional al emplear el principio de equilibrio de carga de superunión: esencialmente, permite que la región de deriva gruesa de un MOSFET de potencia esté fuertemente dopada, reduciendo así la resistencia eléctrica al flujo de electrones sin comprometer el voltaje de ruptura. Esto se yuxtapone con una región que está dopada de manera similar con la polaridad opuesta del portador ( agujeros ); estas dos regiones similares, pero dopadas de manera opuesta cancelan efectivamente su carga móvil y desarrollan una "región agotada" que soporta el alto voltaje durante el estado apagado. Por otro lado, durante el estado encendido, el mayor dopaje de la región de deriva permite el flujo fácil de portadores, reduciendo así la resistencia de encendido. Dispositivos comerciales, basados en este principio de superunión, han sido desarrollados por empresas como Infineon (productos CoolMOS) e International Rectifier (IR).
El mayor avance en los dispositivos semiconductores de potencia se espera que sea la sustitución del silicio por un semiconductor de banda ancha. En la actualidad, el carburo de silicio (SiC) se considera el más prometedor. En el mercado se encuentran disponibles un diodo Schottky de SiC con una tensión de ruptura de 1200 V, al igual que un JFET de 1200 V. Como ambos son dispositivos de portadores mayoritarios, pueden funcionar a alta velocidad. Se está desarrollando un dispositivo bipolar para tensiones más altas (hasta 20 kV). Entre sus ventajas, el carburo de silicio puede funcionar a una temperatura más alta (hasta 400 °C) y tiene una resistencia térmica menor que el silicio, lo que permite una mejor refrigeración.
la energía en una amplia gama de sistemas, desde dispositivos de información portátiles hasta la infraestructura de comunicaciones que permite Internet. Los MOSFET de potencia de la empresa (pequeños interruptores de estado sólido o transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico) y los circuitos integrados de potencia se utilizan ampliamente en teléfonos móviles y ordenadores portátiles para gestionar la energía de la batería de forma eficiente.