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 ). Un dispositivo de este tipo también se denomina dispositivo de potencia o, cuando se utiliza en un circuito integrado , IC de potencia .
Un dispositivo semiconductor de potencia se utiliza normalmente en "modo de conmutación" (es decir, está encendido o apagado) y, por tanto, tiene un diseño optimizado para dicho uso; Por lo general, no debe utilizarse en funcionamiento lineal. Los circuitos de potencia lineales están muy extendidos como reguladores de voltaje, amplificadores de audio y amplificadores de radiofrecuencia.
Los semiconductores de potencia se encuentran en sistemas que entregan desde 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 brevemente populares entre los primeros experimentadores de radio, ya que podían improvisarse a partir de láminas de aluminio y productos químicos domésticos. . Tenían voltajes soportados bajos y eficiencia limitada. [1]
Los primeros dispositivos semiconductores de potencia de estado sólido fueron 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 RN Hall . Tenía una capacidad de bloqueo de voltaje inverso de 200 V y una corriente nominal de 35 A.
Alrededor de 1952 se introdujeron transistores bipolares de germanio con importantes capacidades de manejo de energía (corriente de colector de 100 mA); con esencialmente la misma construcción que los dispositivos de señal, pero mejor disipador de calor. La capacidad de manejo de energía evolucionó rápidamente y en 1954 estaban disponibles transistores de unión de aleación de germanio con una 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 una tensión de ruptura inversa muy alta y también es capaz de transportar corriente elevada. Sin embargo, una desventaja del tiristor en circuitos de conmutación es que una vez que se "engancha" en el estado conductor; no se puede apagar mediante control externo, ya que el apagado del tiristor es pasivo, es decir, se debe desconectar la alimentación del dispositivo. Los tiristores que podían apagarse, llamados tiristores de apagado de puerta (GTO), se introdujeron en 1960. [4] Estos superan algunas limitaciones del tiristor ordinario, porque se pueden encender o apagar con una señal aplicada.
Un gran avance en la electrónica de potencia se produjo con la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. Generaciones de transistores MOSFET permitieron a los diseñadores de energía alcanzar niveles de rendimiento y densidad imposibles. con transistores bipolares. [5] 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, [6] que más tarde se conocería como VMOS (V-groove MOSFET). [7] A partir de 1974, Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony y Toshiba comenzaron a fabricar amplificadores de audio con MOSFET de potencia. [8] International Rectifier introdujo un MOSFET de potencia de 25 A y 400 V en 1978. [9] 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 estuvo ampliamente disponible en la década de 1990. Este componente tiene la capacidad de manejo de potencia del transistor bipolar y las ventajas del accionamiento 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 con principios similares a sus homólogos de baja potencia, pero pueden transportar una mayor cantidad de corriente y normalmente pueden soportar un voltaje de polarización inversa mayor en 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 un mayor voltaje 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 de la matriz. Con esta estructura, una de las conexiones del dispositivo se ubica en la parte inferior del troquel semiconductor .
El MOSFET de potencia es el dispositivo de potencia más común en el mundo, debido a su baja potencia de accionamiento de compuerta, su rápida velocidad de conmutación y su avanzada capacidad de conexión en paralelo. [10] Tiene una amplia gama de aplicaciones de electrónica de potencia , como aparatos de información portátiles , circuitos integrados de potencia, teléfonos móviles , ordenadores portátiles y la infraestructura de comunicaciones que permite Internet . [11] 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 %). [12]
Un dispositivo de energía 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 de operador mayoritario es más rápido, pero la inyección de carga de los dispositivos de operador minoritario permite un mejor rendimiento en estado.
Un diodo ideal debería tener las siguientes características:
En realidad, el diseño de un diodo es una compensación entre el rendimiento en estado encendido, apagado y conmutación. De hecho, la misma área del dispositivo debe sostener el voltaje 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, se debe optimizar un diodo para uno de ellos o se debe dejar tiempo para cambiar de un estado al otro (es decir, se debe reducir la velocidad de conmutación).
Estas compensaciones son las mismas para todos los dispositivos de energía; por ejemplo, un diodo Schottky tiene una excelente velocidad de conmutación y rendimiento 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 de velocidad va necesariamente asociado a un menor rendimiento en estado encendido.
Las compensaciones entre voltaje, corriente y frecuencia también existen para un interruptor. 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 portadora mayoritaria, por lo que puede alcanzar una frecuencia de operación muy alta, pero no puede usarse con voltajes altos; al tratarse de un límite físico, no se espera ninguna mejora en el diseño de un MOSFET de silicio en cuanto a sus tensiones nominales máximas. Sin embargo, su excelente rendimiento en aplicaciones de bajo voltaje lo convierte en el dispositivo elegido (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 de resistencia térmica positivo tiende a dar como resultado un equilibrio de corriente entre los dispositivos individuales.
El IGBT es un componente reciente, por lo que su rendimiento mejora periódicamente a medida que evoluciona la tecnología. Ya ha sustituido por completo al transistor bipolar en aplicaciones de energía; Está disponible 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 amplía 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 impulsado por un MOSFET de potencia; tiene las ventajas de ser un dispositivo portador minoritario (buen rendimiento en estado encendido, incluso para dispositivos de alto voltaje), con la alta impedancia de entrada de un MOSFET (puede encenderse o apagarse con una cantidad muy baja de energía) .
La principal limitación del IGBT para aplicaciones de bajo voltaje es la alta caída de voltaje que presenta en el estado encendido (2 a 4 V). En comparación con el MOSFET, la frecuencia de funcionamiento del IGBT es relativamente baja (normalmente no superior 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 produce resultados. de una lenta recombinación de una gran cantidad de portadores que inundan la gruesa región de "deriva" del IGBT durante la conducción. El resultado neto es que la pérdida de conmutación en apagado de un IGBT es considerablemente mayor que su pérdida en encendido. Generalmente, en las hojas de datos, la energía de apagado se menciona como parámetro medido; ese número debe multiplicarse por la frecuencia de conmutación de la aplicación prevista para estimar la pérdida de apagado.
A niveles de potencia muy altos, todavía se utiliza con frecuencia un dispositivo basado en tiristores (por ejemplo, un SCR , un GTO, un MCT , etc.). Este dispositivo se puede encender mediante un pulso proporcionado por un circuito impulsor, pero no se puede apagar eliminando el pulso. Un tiristor se apaga tan pronto como ya no fluye 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 atenuadores de lámparas , fuentes de alimentación conmutadas , cocinas de inducción , sistemas de encendido de automóviles y accionamientos de motores eléctricos de CA y CC de todos los tamaños.
Los amplificadores operan en la región activa, donde tanto la corriente como el voltaje del dispositivo son distintos de cero. En consecuencia, la energía 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 pueden reconocerse por el disipador de calor utilizado para montarlos. Existen varios tipos de dispositivos amplificadores 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 inferiores de microondas . 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 sólo unos pocos componentes pasivos externos para funcionar. Otra aplicación importante de los amplificadores en modo activo es en fuentes de alimentación reguladas linealmente, cuando se utiliza un dispositivo amplificador como regulador de voltaje para mantener el voltaje de carga en una configuración deseada. 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 su aplicación las hace populares, especialmente en rangos de corriente de hasta aproximadamente un amperio.
La función del embalaje es:
Muchos de los problemas de confiabilidad de un dispositivo de energía están relacionados con una temperatura excesiva o con la fatiga debido al ciclo térmico. Actualmente se realizan 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 operación, porque genera pérdidas durante la conmutación.
Un MOSFET de bajo voltaje también está limitado por la resistencia parásita de su paquete, 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 aún 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 con respecto a la estructura MOSFET convencional al emplear el principio de equilibrio de carga de la súper unión: esencialmente, permite que la gruesa región de deriva 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 igualmente dopada con la polaridad portadora opuesta ( 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 de inactividad. Por otro lado, durante el estado encendido, el mayor dopaje de la región de deriva permite el fácil flujo de portadores, reduciendo así la resistencia al encendido. Empresas como Infineon (productos CoolMOS) e International Rectifier (IR) han desarrollado dispositivos comerciales basados en este principio de superunión.
Se espera que el mayor avance en los dispositivos semiconductores de potencia provenga de la sustitución del silicio por un semiconductor de banda prohibida amplia. Actualmente, el carburo de silicio (SiC) se considera el más prometedor. Se encuentra disponible comercialmente un diodo Schottky de SiC con un voltaje de ruptura de 1200 V, al igual que un JFET de 1200 V. Como ambos son dispositivos de operador mayoritario, pueden funcionar a alta velocidad. Se está desarrollando un dispositivo bipolar para voltajes más altos (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.
Estos componentes electrónicos activos, o productos semiconductores de potencia, de Siliconix se utilizan para conmutar y convertir energía en una amplia gama de sistemas, desde aparatos de información portátiles hasta la infraestructura de comunicaciones que permite Internet. Los MOSFET de energía de la compañía (pequeños interruptores de estado sólido o transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico) y los circuitos integrados de energía de la compañía se usan ampliamente en teléfonos celulares y computadoras portátiles para administrar la energía de la batería de manera eficiente.