Infineon presentó sus primeros chips hechos de carburo de silicio (SiC) hace más de 20 años y durante mucho tiempo ha promocionado el material como el futuro de la electrónica de potencia. Ahora muchas más empresas están alerta.
En particular, los fabricantes de automóviles como GM y Tesla están invirtiendo en chips hechos de SiC en un intento por construir vehículos eléctricos (EV) que puedan viajar más lejos con una carga y recargarse más rápido cuando la batería se agote.
Peter Friedrichs, vicepresidente del negocio de SiC en Infineon, dijo que el carburo de silicio es un cambio generacional en la conmutación de energía a voltajes de 650 V o más que deben operar a altas temperaturas y en entornos hostiles. Señaló que los dispositivos de SiC tienen propiedades físicas únicas que brindan a los clientes la capacidad de comprimir más energía en sobres más compactos que pesan menos y generan menos calor, lo que resulta en una mejor densidad de energía.
Friedrichs dijo que Infineon vende MOSFET de SiC y otros dispositivos de energía a más de 3000 clientes en la actualidad, incluidos Delta Electronics, Hyundai, SchneiderElectric y Siemens. Los están incorporando al corazón de los vehículos eléctricos, motores, inversores solares y fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) de grado industrial que demandan hasta decenas de miles de vatios, y muchas de estas empresas no miran atrás.
"Algunos clientes no quieren hablar sobre el silicio en absoluto", dijo Friedrichs el mes pasado en APEC 2022.
El mes pasado, el gigante de los semiconductores de potencia lanzó una nueva serie de SiCMOSFET para todo, desde vehículos eléctricos hasta inversores solares, y se enfrentó a los MOSFET e IGBT estándar en el mercado muy competitivo de dispositivos de 650 V.
También está aumentando la inversión en la producción de chips basados en SiC, un material que fusiona silicio y carbono ultraduro, en un intento por apuntalar los suministros y reducir el elevado costo de fabricación de dispositivos de SiC.
En APEC, Infineon presentó su última línea de MOSFET de SiC de 650 V, uniéndose a los dispositivos de 1200 y 1700 V en una familia de productos que utiliza su tecnología de MOSFET de trinchera de SiC para aprovechar las ventajas inherentes del material.
Los nuevos chips están empaquetados en un paquete compacto D2PAK SMD de 7 pines que se basa en la tecnología de interconexión XT de Infineon. Ofrecen mejores características de conmutación a corrientes más altas y un 80 % menos de carga de recuperación inversa y carga de fuente de drenaje que los MOSFET que usan silicio heredado. Las interconexiones se basan en las capacidades térmicas del paquete. En comparación con una interconexión estándar, se puede disipar hasta un 30 % de la pérdida de energía adicional.
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SiC es un semiconductor de banda prohibida amplia, una propiedad que lo ayuda a tolerar voltajes más altos (hasta miles de voltios) antes de descomponerse y manejar temperaturas más altas (175 °C o más) que los MOSFET de silicio.
Además de la tolerancia de alto voltaje, los dispositivos de SiC funcionan a frecuencias más altas y de manera más eficiente sin las pérdidas no deseadas de los IGBT y MOSFET estándar que dominan los vehículos eléctricos en la carretera.
SiC también tiene menos resistencia en estado activo a niveles de voltaje más altos, lo que conduce a menores pérdidas por conducción, mayor densidad de corriente y disipa más calor al regular o convertir la electricidad de un nivel a otro. Además, SiC ofrece velocidades de conmutación más rápidas que los MOSFET e IGBT, lo que le permite rodear la etapa de potencia inmediata con componentes externos más pequeños, como transformadores y pasivos.
Los dispositivos de alimentación basados en SiC también pierden menos energía por calor, lo que abre la puerta a disipadores de calor más compactos y ligeros. En conjunto, estos atributos se traducen en ahorros de costos a nivel del sistema, dijeron expertos de la industria.
Con un amplio rango de puerta a fuente de −5 a 23 V y compatible con un voltaje de umbral de fuente de puerta y apagado de 0 V (VGS(th)) de 4 V , los 10 nuevos dispositivos también funcionan con circuitos integrados de controlador de compuerta MOSFET estándar.
El MOSFET de SiC es el principal competidor para enfrentarse a los IGBT en fuentes de alimentación de alto voltaje debido a sus menores pérdidas de encendido y apagado en los interruptores, lo que puede ayudar a reducir el peso y el volumen de las fuentes de alimentación. El IGBT une la alta impedancia de entrada y las rápidas velocidades de conmutación de los MOSFET con la alta conductividad de un transistor de unión bipolar (BJT), y puede entregar decenas de miles de vatios de potencia a los automóviles eléctricos.
Sin embargo, los ingenieros están menos acostumbrados a las ventajas y desventajas de diseñar con dispositivos de SiC, que son relativamente nuevos en el mundo de los semiconductores de potencia. Los IGBT también siguen siendo populares porque no son tan caros como los SiCMOSFET.
Mientras que el IGBT pone a los vehículos eléctricos en la carretera, Friedrichs dijo que los dispositivos de SiC los están impulsando hacia el futuro.
Dijo que los dispositivos de SiC compiten por alrededor del 80 % de la electrónica de potencia en el corazón del tren motriz de los vehículos eléctricos, incluido el inversor de tracción principal que convierte la corriente continua (CC) almacenada en la batería del automóvil en corriente alterna (CA). y lo alimenta al motor eléctrico que hace girar las ruedas. Estos chips también luchan por ganar en diseño en otras partes del vehículo eléctrico, como el cargador integrado y los convertidores CC-CC.
Infineon ha declarado anteriormente que SiC puede ayudar a aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos con una sola carga entre un 5 % y un 10 %, o dar a los fabricantes de automóviles la posibilidad de utilizar baterías más pequeñas, más ligeras y menos costosas.
Infineon no está solo en el suministro de carburo de silicio al mercado de vehículos eléctricos. El año pasado, GM acordó comprar dispositivos SiC de Wolfspeed para la electrónica de potencia integrada en el sistema Ultium Drive de GM.
El mercado de dispositivos SiC solo en vehículos eléctricos superará los 2500 millones de dólares en 2030, según estimaciones de Exawatt.
Los nuevos MOSFET de Infineon aportan las ventajas de SiC a las topologías de conmutación dura y resonante en fuentes de alimentación industriales y de centros de datos, inversores solares y otras infraestructuras de energía renovable, y unidades de motor.
También ofrecen protecciones mejoradas contra avalanchas (cuando se supera el voltaje de ruptura del MOSFET) y cortocircuitos. Por lo tanto, son ideales para topologías de fuente de alimentación con conmutación dura repetitiva y sistemas que necesitan una construcción más robusta para soportar entornos más duros, como debajo del capó de automóviles y camiones eléctricos, en plantas de fábrica o en el calor abrasador de una granja solar.
Los dispositivos de 650 V admiten topologías bidireccionales para reducir el costo del sistema y facilitar la integración.
Friedrichs dijo que Infineon está tratando de mantenerse un paso por delante de los desafíos del diseño de energía con dispositivos SiC más nuevos. Por ejemplo, la compañía está a punto de lanzar la segunda generación de su exclusiva tecnología MOSFET de trinchera de SiC en 2022, que traerá nuevos niveles de densidad de potencia y eficiencia energética.
Pero dijo que también busca adelantarse a la demanda mundial de carburo de silicio a medida que las industrias se apresuran a reducir su huella de carbono. Infineon planea invertir más de $ 2 mil millones para aumentar su producción de SiC y GaN.
Además, Infineon ya planea convertir una parte de la capacidad de producción de 200 y 300 mm en su fábrica en Villach, Austria, donde solo comenzó la producción en volumen el año pasado, para dispositivos de SiC y GaN.
El desafío por delante es asegurarse de que los ahorros de costos a nivel del sistema compensen el mayor costo de fabricación de dispositivos de SiC. Infineon y otras compañías están tomando medidas para cerrar la brecha de costos con el silicio, pero aún les faltan años para cerrarla por completo, según los analistas.
Hace tiempo que las empresas saben cómo crear SiC mezclando silicio y carbono en un horno muy caliente. Pero es significativamente más duro y más quebradizo que el silicio y, por lo tanto, es más difícil aserrar, esmerilar y pulir la superficie de una oblea sin dejar rayas que puedan afectar el rendimiento o la eficiencia energética de los dispositivos de potencia. El resultado es que suele costar mucho más fabricar SiC en grandes cantidades.
Los ejecutivos dijeron que Infineon tiene trucos bajo la manga. La compañía está aumentando la producción con una tecnología llamada Cold Split para cortar obleas con más cuidado de pilares de carburo de silicio en bruto en un proceso análogo a separar pizarras de la roca. Cold Split promete duplicar la cantidad de chips que se pueden cortar de una oblea de SiC, lo que ayuda a impulsar la producción y aumentar el ahorro de costos.
Infineon dijo que se está preparando para la producción en volumen con la tecnología Cold Split en 2023.
