Semiconductores de potencia

Transcripción

1 plugging a laptop into a substation communication network, IEDs can be explored, SA configurations based on Semiconductores de potencia the SCD file can be inspected and SA network traffic can be thoroughly analyzed. The tools used for these tasks are described in the following paragraphs. Segunda parte: Tecnología de encapsulado y desarrollos futuros Stefan Linder IEC Substation Browser The IEC substation browser is a testing tool which allows an engineer to browse an SA system online with IEDs Los attached. semiconductores The configuration de potencia of an se han extendido durante las últimas décadas be a una loaded amplia from gama an SCL de aplicaciones. file Esta extensión ha sido consecuencia IED can M and the del browser continuo then y rápido connects desarrollo to the de la tecnología de semiconductores de potencia, que servers. ha conseguido It can also dispositivos de- muy potentes, efectivos y fáciles de cada aproximadamente, los en- ientras que, hasta hace una dé- corresponding tect IEDs usar. in En an la SA primera network, parte inspect de este artículo, publicado en la anterior edición de capsulados para semiconductores de IEDs la for Revista their functions ABB1), se in discutieron terms of aspectos del diseño y optimización de los potencia eran poco más que contenedores para los dispositivos, en la ac- servers, check for the existence of logical devices and logical nodes (as tualidad se están convirtiendo cada chips y se expusieron diversas consideraciones para la aplicación de diversas well clases as their de corresponding dispositivos, attributes), especialmente los IGBT e IGCT. vez más en el elemento limitador de all without La continua having optimización an SCD file at del silicio ha acercado cada vez más los rendimientos The a los browser límites displays físicos y process tecnológicos. El resultado de ello es que, dejando fuertes. Por lo tanto, la atención de los sistemas electrónicos de corrientes hand. data aparte ie, data la attributes posibilidad with de functional que surjan avances radicalmente nuevos, el potencial de status nuevas information mejoras en (ST) este or aspecto del diseño está disminuyendo. cada vez más en los aspectos de dise- los desarrolladores se está centrando constraint measurands Los encapsulados (MX) which para are continuously updated. The user can additiona- limitaciones. dispositivos de semiconductores, sin embargo, aún ño del encapsulado para abordar sus tienen un potencial considerable para impulsar el rendimiento. Por conlly reserve, enable, configure report control siguiente, blocks, este start artículo general profundiza interrogation (GI) Hoy día, or check casi todos for extensions los semiconductores (or de potencia comerciales se basan en este aspecto. in other por words completo non-registered en el silicio. devices Mirando al futuro, este artículo discute el potencial responding de los llamados to ping, SNMP, materiales MMS). de A amplio salto de banda, como el carburo de more silicio, extensive el nitruro presentation de galio of y plugand-play applications build around el diamante. the concept of the IEC substation browser can be found in [3]. IEC Network Analyzer With the growing dependency on Ethernet communication among IEDs and other devices in a substation, there is a distinct need for tools that can analyze the data traffic (ie, basic Ethernet and related TCP/IP traffic) exchange in an SA network. This data is transmitted as a sequence of bits and an engineer must be able to understand the context of any piece of extracted data if he is to discover any irregularities or problems. The IEC Network Analyzer 3 is a testing tool that can capture and analyze substation communication network traffic in combination with the information found in an SCL file. By simply plugging in a standard laptop to a substation communication network, problems are quickly detected and IEC protocol implementations are reliably inspected directly off the Formas de encapsulado En el campo de las altas potencias se han establecido dos formas de encapsulado conceptualmente distintas: el módulo aislado y el encapsulado de contacto a presión 1. La principal diferencia entre ellos es que, en el primer caso, el circuito eléctrico está separado galvánicamente del disipador térmico por un aislador cerámico, mientras que en el diseño de contacto a presión la corriente circula verticalmente por todo el módulo, es decir, también a través del disipador térmico. Ambas formas de encapsulado son apropiadas fundamentalmente para los IGBT e IGCT. En la práctica, sin embargo, los IGCT sólo se ofrecen en encapsulados de contacto a presión, mientras que los IGBT se fabrican en ambas variantes. El encapsulado aislado predomina actualmente en sistemas con bajas potencias de salida (generalmente por debajo de 1 MW), ya que el circuito se puede implementar con una menor complejidad mecánica y, por tanto, con Nota 1) Stefan Linder. Semiconductores de potencia. Primera parte: Bases y aplicaciones, Revista ABB 4/2006, páginas Revista ABB 1/2007

2 menores costes. Por otro lado, el encapsulado de contacto a presión se prefiere por varias razones para potencias superiores a 10 MW. Aquí discutiremos las dos razones más importantes: En los sistemas con potencias de salida muy altas, los semiconductores se han de conectar en paralelo y/o en serie. Para este último caso, especialmente, los encapsulados de contacto a presión tienen una gran ventaja, ya que los módulos se pueden disponer apilados y separados sólo por disipadores térmicos. Un ejemplo son las instalaciones de transmisión de energía eléctrica HVDC (corriente continua y alta tensión), en las que se conectan en serie hasta 200 módulos. El encapsulado de contacto a presión debe utilizarse si la aplicación requiere garantizar la circulación ininterrumpida de corriente (por ejemplo, un inversor de una fuente de corriente, pero también todos los sistemas que han de responder al fallo de un semiconductor o a un fallo de control, descargando la energía del enlace de CC poniendo en circuito los semiconductores). En un encapsulado de contacto a presión, los polos metálicos se funden cuando falla un semiconductor, garantizado en consecuencia una vía conductora de corriente con baja impedancia. Por otro lado, en el encapsulado aislado la corriente circula a través de hilos de soldadura, que en caso de fallo pueden evaporarse dejando abierto el circuito. Requisitos de la tecnología de encapsulado Crear un diseño de encapsulado es un desafío que comprende dos factores principales: Los semiconductores de potencia modernos operan con una disipación continua de potencia de W/ cm 2 de silicio. Esta densidad de potencia es (por área de superficie) aproximadamente una magnitud mayor que la de una placa de cocina calentada a la máxima potencia. Esto impone extraordinarias exigencias a la tecnología de encapsulado y a los materiales utilizados. El coeficiente de dilatación térmica (CTE) del silicio es aproximadamente de cinco a diez veces menor que el de la mayoría de los metales (Cu, Al) adecuados para acoplamiento eléctri- co y térmico. Esto significa que componentes vitales en el encapsulado (contactos de los hilos de conexión, soldaduras) están sometidos a considerables esfuerzos termomecánicos durante los cambios de carga, lo que limita considerablemente su vida útil. Como consecuencia de estos requisitos, no queda más remedio que utilizar materiales caros y muy sofisticados. Posibilidad de mejoras en la tecnología de encapsulado Mayores temperaturas de unión La potencia de salida útil P útil de los semiconductores de potencia se determina de acuerdo con la ecuación: T ambiente P útil (1) R th Donde es la máxima temperatura de la unión, T ambiente es la temperatura del disipador térmico (ambiente), y R th es la resistencia térmica entre la junta semiconductora y el ambiente. A partir de esta fórmula resulta evidente que si se aumenta la máxima temperatura de unión en dispositivos de alta tensión (superior a V) desde 125 C (el estándar actual) hasta 150 C, resulta un aumento de rendimiento de entre 25 y 30 por ciento (suponiendo una temperatura ambiente de C). Una alternativa para conseguir más potencia de salida mediante esta mejora de rendimiento es invertir la mejor capacidad refrigeradora en más pérdidas para una potencia dada. Esto permitiría hacer funcionar el inversor a una mayor frecuencia de conmutación, reduciendo así los armónicos y pudiendo utilizar filtros más pequeños. En la práctica, se han de cumplir varias condiciones básicas para poder aprovechar totalmente este potencial: 1) Propiedades del silicio El semiconductor de potencia ha de poder desconectar la mayor corriente nominal a la mayor temperatura de unión. En los inversores de tensión, los diodos de circulación libre han de poder resistir con toda seguridad la mayor sobrecorriente en caso de fallo. Los dispositivos IGBT han de conservar un tiempo adecuado de resistencia a los cortocircuitos. Los componentes de silicio han de mostrar un comportamiento estable a 150 C, es decir, no pueden permitir ninguna redistribución de la aceleración de corriente inducida por la temperatura. 2) Propiedades de la tecnología de encapsulado e interconexión La tecnología de interconexión ha de tener una resistencia adecuada a la fatiga termomecánica provocada por las cargas alternas. Los materiales usados han de tolerar las temperaturas que puedan presentarse. La capacidad de sobrecarga de los diodos de circulación libre conectados es un importante obstáculo al optimizar la aplicación de un semiconductor; de hecho es, con frecuencia, el elemento limitador ya a 125 C. Un aumento de la potencia de salida, sin embargo, suele ir acompañado por una mayor demanda de corriente de sobrecarga. Esto exige diodos de mayor tamaño, lo cual reduce el espacio disponible para los dispositivos de conmutación (IGBT o IGCT) y generalmente provoca pérdidas mayores de encendido. Por eso, si no se aplican enfoques innovadores, el margen de libertad para aumentar el rendimiento aumentando la temperatura de la junta parece limitado. El potencial es mucho menor que lo que sugiere la consideración puramente térmica de la fórmula (1). La resistencia termomecánica a cargas alternas es el principal factor limitador en la tecnología de interconexión. La figura 2 muestra la capacidad de los modernos módulos aislados, de alta potencia, en el caso de 125 C de temperatura máxima de la junta, y la curva correspondiente aproximada, para la misma construcción de módulo, si aumenta hasta 150 C. La figura muestra también la curva que se requeriría para proporcionar al sistema la misma expectativa de vida útil a 150 C que la que tiene a 125 C. Se puede observar que las demandas aumentan acusadamente a una temperatura máxima más alta de la junta, especialmente si ésta experimenta grandes fluctuaciones. Esto se debe a que los cambios importantes en las condiciones de la carga Revista ABB 1/

3 (por ejemplo, ciclos de carga máxima/ carga nula) causan desviaciones mayores de la temperatura (hasta 25 C más). Las demandas no aumentan tanto para un pequeño incremento ΔT, puesto que las pequeñas fluctuaciones de la potencia de salida influyen poco sobre la temperatura de la junta. Por ejemplo, si la potencia de salida baja del 100 al 90 por ciento a temperatura ambiente de 30 C, la temperatura de la unión disminuye en 9,5 C a = 125 C y en 12 C a = 150 C. Considerando el hecho de que la capacidad de soportar cambios de carga de los productos más modernos apenas satisface los requisitos en muchas aplicaciones (particularmente en tracción), se puede deducir que es preciso aumentar la capacidad de los módulos en al menos el factor 5 para aumentar la temperatura de la junta hasta 150 C. Esto sólo puede conseguirse desarrollando nuevas tecnologías. En particular, las juntas soldadas de gran superficie probablemente tendrán que ser sustituidas por tecnologías de conexión perfeccionadas. La más prometedora, según parece, es la llamada técnica de unión a baja temperatura (LTB), que conecta dos elementos por medio de una capa aglomerada por sinterización hecha con copos esponjosos de plata. Además de una mayor elasticidad durante el ciclo de la carga, las uniones a baja temperatura también tienen menos resistencia térmica. Reducción de la resistencia térmica Como alternativa a aumentar la temperatura máxima de la junta, también es posible aumentar la potencia de salida reduciendo la resistencia térmica R th (véase fórmula 1). La distribución típica de R th en una estructura con un módulo aislado IGBT de alta potencia, con una superficie IGBT total de unos 45 cm 2, es aproximadamente la siguiente: Junta del IGBT con la placa de AlSiC (aluminio-carburo de silicio) 7 K/kW Placa base de AlSiC con el disipador térmico (contacto seco) 6 K/kW Disipador térmico con el ambiente K/kW* * Este valor depende estrechamente del método de refrigeración (bajo para líquidos de refrigeración, más alto para refrigeración por aire forzado) Hay que destacar que el contacto seco del módulo con el disipador térmico tiene aproximadamente la misma resistencia térmica que el propio módulo y que la resistencia R th está localizada, en un 40 a 70 por ciento, entre el disipador térmico y el ambiente. Desde este punto de vista, abordar la resistencia R th externa del módulo promete más ventajas que concentrarse exclusivamente en la resistencia interna del módulo. La razón para concentrarse en la resistencia R th externa queda reforzada por los grandes márgenes de rendimiento de los dispositivos modernos (véase Revista ABB 4/2006) y por el hecho de que están empezando a emerger nuevos materiales capaces de reducir la resistencia térmica interna de los módulos entre un 30 y 50 por ciento. Entre estos materiales están los MMC (compuestos matriciales metálicos) avanzados, que tienen una favorable adaptación CTE y una conductividad térmica muy alta. Un ejemplo lo constituyen los MMC de diamante, que ofrecen conductividades térmicas de W/mK y que, por tanto, pueden superar incluso al cobre. Debido a la gran diferencia entre su coeficiente CTE y el del silicio, el cobre sólo se usa en combinación con otros materiales que tienen un coeficiente CTE adaptado (por ejemplo, molibdeno, véase 1i ). Además de las mejoras en el disipador térmico, el contacto seco (no soldado) con el módulo merece atención especial. Su resistencia térmica no sólo es alta, sino también muy propensa a las variaciones, puesto que es muy difícil garantizar una presión homogénea de contacto y un buen contacto entre las superficies. El uso de grasas térmicas y aceites de silicona sólo mitiga ligeramente los problemas, puesto que la conductividad térmica de estas sustancias es, como mínimo, 100 veces menor que la de los metales de la base del módulo y el disipador térmico. Un enfoque muy prometedor para resolver este problema está en el uso de sustra- 1 Formas comunes de encapsulado para semiconductores de alta potencia: Un módulo aislado (izquierda) y un módulo de contacto a presión (a la derecha se muestra un IGCT típico). En los módulos de encapsulados aislados, el semiconductor f está aislado galvánicamente del disipador térmico c. Los contactos eléctricos dentro del módulo se hacen con hilos soldados. En caso de fallo del dispositivo, los hilos tienden a vaporizarse y el módulo deja de conducir. En los módulos de contacto a presión, la corriente de carga entra por una superficie k y sale por la superficie opuesta. Las bajas resistencias eléctrica y térmica de los contactos están aseguradas por la alta presión mecánica aplicada sobre esas superficies. En caso de fallo, las piezas polares metálicas j se funden y la corriente puede seguir circulando por el módulo. a Conexiones de Energía y de control e Placa base (norm. AISIC) b Hilo de conexión f Semiconductor c Disipador de calor g Caja d Cerámica (normalmente AIN) h Disipador de calor i Compensación CTE (Mo) j Caja (cerámica) k Cobre l Semiconductor a a a b d f e g l i i k k j c h 64 Revista ABB 1/2007

4 tos intermedios metálicos con alta conductividad térmica, cuyas propiedades han sido determinadas de forma que se vuelvan muy suaves o incluso fluidos en condiciones normales de operación. Por consiguiente forman entre el disipador térmico y el módulo una conexión con un valor R th similar al de una soldadura. Es perfectamente imaginable que, alternativamente, se vuelva a los módulos con disipador térmico integrado, ya que el contacto seco se ha eliminado en este concepto. Estos productos no han conseguido establecerse a gran escala hasta ahora por su complejidad y altos costes. Nuevas generaciones de semiconductores Dispositivos de silicio Se han estudiado muchos conceptos distintos de nuevos componentes, especialmente durante los años noventa; los más conocidos son el MCT (tiristor controlado por MOS), el FCTh (tiristor de silicio controlado por campo) y el EST (tiristor conmutado por emisor). El objetivo común de estos conceptos de dispositivo era combinar propiedades como las del tiristor 2) con una menor potencia del controlador. Puesto que todos estos componentes tenían deficiencias conceptuales y dado que la distribución del plasma en los modernos IGBT se ha aproximado ya estrechamente al tiristor ideal en los modernos IGBT, la innovación con nuevos tipos de estructuras se ha reducido notablemente. Actualmente, la probabilidad de que el IGBT y el IGCT sean sustituidos por un componente de silicio básicamente diferente parece más remota que nunca. Materiales de amplio salto de banda Los componentes hechos con los llamados materiales semiconductores de amplio salto de banda son otra vía de desarrollo. La ventaja de estos materiales, de los que los más conocidos son el carburo de silicio (SiC), el nitruro de galio (GaN) y el diamante (C), reside en que presentan una rigidez dieléctrica claramente mayor que el silicio, lo que permite conseguir componentes con menores espesores y más dopados en la sección intermedia que con el silicio, aspectos que, por razones que ya se han discutido en la primera parte 4), suponen pérdidas considerablemente menores en el semiconductor. Actualmente sólo el SiC puede considerarse un serio candidato en el rango de alta potencia. El SiC es hasta ahora el único material que permite construir componentes verticales, es decir, componentes en los que la corriente circula verticalmente por el cuerpo del semiconductor y no por su superficie. Solamente una construcción vertical como ésta permite obtener una sección transversal adecuadamente grande para las corrientes requeridas, manteniendo al mismo tiempo un tamaño aceptable de los componentes. Conceptos sobre componentes preferidos de SiC Análogamente al silicio, el SiC permite la fabricación de semiconductores tanto unipolares como modulados por conductividad ( bipolares ). Sin embargo, debido al mayor dopado permitido en la zona de deriva, el uso económico de componentes unipolares de SiC es viable hasta tensiones de bloqueo significativamente mayores que con el silicio, concretamente hasta unos 2 4 kv. Además, los componentes bipolares de SiC atraen el máximo interés para su uso en el rango de alta tensión y alta potencia. En el caso de los componentes unipolares, hoy día ya hay disponibles en el mercado diodos Schottky con 2 Expectativa de resistencia a la fatiga en función de las desviaciones térmicas de los modernos módulos IGBT aislados, de alta potencia, con placas base de AlSiC (por ejemplo, ABB HiPak o Infineon IHM) Número de ciclos hasta el fallo Capacidad necesaria para = 150 C (estimada) Capacidad actual a = 125 C Capacidad actual a = 150 C (estimada) Ciclo de temperatura (ΔT) de la junta [ C] corrientes nominales de hasta 20 A y tensiones de hasta V. Estos dispositivos se usan principalmente en conmutación de fuentes de alimentación y en inversores de células solares. Además, ya se han fabricado interruptores de SiC (MOSFET y JFET) con excelentes resultados, aunque sólo a escala de laboratorio. Un problema importante es el hecho de que los MOSFET y JFET de SiC, con interesantes características eléctricas, hasta ahora siempre han sido conductores, a menos que sean controlados ( normalmente en conducción ). Los componentes con estas características nunca han sido bien aceptados por el mercado, incluso aunque los problemas asociados parezcan técnicamente resolubles. Además de diodos, ya se han fabricado con excelentes resultados componentes bipolares como IGBT, transistores bipolares (BJT) y tiristores para tensiones de hasta 10 kv. En el caso del BJT, hay que recalcar que, aunque es un componente bipolar, no suele producirse en él modulación de la conductividad en estado de conducción (a no ser que funcione con una ganancia muy baja). Por tanto, el BJT debería ser considerado como un componente unipolar por sus características de pérdidas. Un problema fundamental de los componentes de SiC con modulación de conductividad se debe al hecho de que las uniones pn del SiC sólo empiezan a conducir a 2,8 V aproximadamente (a diferencia del silicio, que sólo requiere una tensión en torno a 0,7 V). Puesto que todos los componentes modulados por conductividad tienen al menos una unión pn en el camino de la corriente, las pérdidas de conducción son altas. Por eso, estos componentes pierden mucho interés para tensiones de ruptura inferiores a aproximadamente 4 6 kv. Además, la tensión de conducción ( tensión built-in ) de las uniones pn de SiC tiene un coeficiente de temperatura muy negativo, lo que puede suponer el riesgo de que la corriente se distribuya no homogéneamente en grandes componentes. Revista ABB 1/

5 Montaje de un módulo HiPak semiconductor de potencia Interior de un módulo HiPak (véase también 1, izquierda) Calidad del material de SiC El SiC sigue siendo un material muy difícil de producir en una calidad equiparable a la del silicio. Los microtubos, frecuentemente puestos en cuestión, son sólo uno de los varios defectos perjudiciales del cristal, alguno de los cuales puede afectar negativamente a la estabilidad a largo plazo del componente, especialmente en el caso de componentes bipolares. Así pues, la producción industrial de componentes de SiC de gran superficie no es aún posible. Otro aspecto negativo es el hecho de no es demasiado interesante mejorar la calidad del SiC. La razón está en que la mayoría del SiC producido no se utiliza para fabricar semiconductores de potencia, sino como material soporte para la fabricación de LED (diodos emisores de luz). El material que se utiliza para los LED es un tipo diferente de SiC (6H en vez de 4H), con mucha peor calidad, adecuado para una fabricación económica de los LED, dado su pequeño tamaño. Tecnología de encapsulado de SiC Es incuestionable que los componentes de SiC, incluso a largo plazo, seguirán siendo considerablemente más caros que los componentes de silicio del mismo tamaño. La perspectiva del éxito comercial en el rango de alta potencia se basa en el hecho de que los componentes pueden operar a una densidad de corriente significativamente mayor que los componentes de silicio, debido a sus menores pérdidas y a la mayor temperatura permitida de la junta (más de 400 C). Por desgracia, hay dos serios obstáculos en el camino hacia este objetivo: Por las razones mencionadas en la sección Mayores temperaturas de unión, es difícil establecer una tecnología de encapsulado que haga posibles temperaturas de junta significativamente más altas que las habituales con el silicio. Por consiguiente, puede asumirse que las pérdidas por unidad de superficie en los mayores dispositivos de SiC se mantendrán dentro de los mismos límites que en los componentes de silicio, supuesto que no varíen los requisitos de fiabilidad. Además, existe el problema de que los dispositivos de SiC tienen tiempos más cortos de conmutación (es decir, mayor di/dt) que el silicio. Debido a ello, las inductancias parásitas permitidas en los encapsulados son menores que en los componentes de silicio. Sin embargo, el hecho de que las inductancias parásitas estén determinadas básicamente por las distancias de aislamiento y las secciones transversales, hace difícil conseguir los valores requeridos en los encapsulados para altas potencias de salida. Desafortunadamente, la combinación de problemas de calidad del material SiC, los elevados costes y las dificultades técnicas, tanto en los componentes como en la tecnología de encapsulado, reducen las esperanzas de que el progreso del SiC en el rango de alta potencia se produzca en un próximo futuro. Resumen Sin duda, los IGBT e IGCT se han establecido como los dos interruptores de semiconductores con mejores resultados durante los últimos años en el rango de las potencias más altas. Ambos conceptos se desarrollan en paralelo y es perceptible que los objetivos de desarrollo convergen cada vez más. En la etapa actual, ambos componentes pueden considerarse maduros (es decir, parece poco probable que se produzcan avances espectaculares, y el progreso futuro tendrá seguramente carácter evolutivo, no revolucionario). Sin embargo, esto no es aplicable a las tecnologías de encapsulado y de interconexión, que todavía pueden permitir el aprovechamiento del potencial del silicio, hasta ahora desaprovechado. La motivación para innovar en este campo es alta, ya que la introducción en gran escala de materiales de amplio salto de banda en el rango de alta potencia tiene todavía un largo camino por delante. En la actualidad, el SiC parece ser el único de estos materiales con posibilidades reales. Stefan Linder ABB Switzerland Ltd, Semiconductors Lenzburg, Suiza stefan.linder@ch.abb.com Notas 2) Véase también la subsección Optimización de las pérdidas de potencia en conducción y corte por ajuste de la distribución del plasma, en la primera parte de este artículo (Revista ABB 4/2006, página 36). 3) La llamada zona de deriva, véase figura 4 de la primera parte de este artículo, página 37. 4) Objetivos del diseño del IGBT y del IGCT en la primera parte de este artículo (página 35). 66 Revista ABB 1/2007