Generaciones de semiconductores

Transcripción

1 Gnrions ABB rps 60 ños progrso n CHRISTOPH HOLTMANN, SVEN KLAKA, MUNAF RAHIMO ANDREAS MOGLESTUE Muhs ls grns trnsformions l histori l humni hn sio impulss por surimintos tnológios uy influni h llgo muho más llá l tnologí. El progrso l nvgión mrítim n l siglo XV rió ruts omrils ntr ontinnts. Ls mjors l ingnirí máni prmitiron l inustrilizión n los siglos XVIII y XIX. Los últimos nios s hn sto por mios similrs imnsions triuios los progrsos n l informá ti y ls omuniions, y n último término l progrso los. Pro, l mismo timpo, los hn impulso otr rvoluión, un qu posilmnt s mnos visil pro igulmnt signifi tiv: s l simpl rg los tléfonos móvils hst l trnsport ltrii mils kilómtros, l ltróni potni s h onvrtio n un uxilir vitl l stilo vi morn. A lo lrgo los últimos 60 ños, ABB h smpño un ppl ruil n l srrollo los potni y sus pliions. 84 ABB rviw 3 14

2 Ls os mprss prsors ABB ASEA y BBC omnzron l srrollo los prinipios l é Al igul qu huo grns ros nts Enriqu l Nvgnt y motors vpor nts Jms Wtt, l s ls pliions tuls pr los qu utilizn. Los primros ornors utilizn rlés, ls rios tuos vío y los onvrtiors nrgí válvuls ro mrurio 1 o intrruptors mánios. Ls topologís los iruitos ásios n l núlo stos jmplos no rn muy ifrnts ls qu s sigun usno tulmnt. Pro, pusto qu los hn llvo isños más omptos, myor fiili, mnors péris, osts más ruios y myor fili uso, hn irto l tnologí nuvs pliions l timpo qu l srrolln on nivls prstions y sofistiión vrios órns mgnitu por nim lo qu huir sio posil n otro so. Imgn l título Tiristors 300 V / 800 A frios por BBC prinipios los Conptos ásios los Un smionutor s llm sí porqu prsnt un nivl intrmio onutivi ntr un onutor y un no onutor. Su omportminto létrio pu más vrs influio por ftors, omo l prsni impurzs, los mpos létrios, l luz y l tmprtur. Muhos stos fnómnos y hín sio ronoios n l siglo XIX 1, pro hst los primros 1930 no surgió un xpliión plil n form l torí ns onuión, qu utiliz onptos l físi uánti. En l ltróni potni s utilizn ls propis los pr rr ispositivos qu pun ltrnr ntr str on s ir, onuino grns orrints létris on un tnsión n sto nnio tn pquñ omo s posil, y off, sto s, loquno un tnsión tn grn omo s pris on un mínim fug orrint. L fs trnsiión ntr los os stos sr lo más rv posi- l. L prsni simultán un tnsión y un intnsi no nuls us péris pr l prto, qu no sólo rprsntn un nrgí sprii sino qu tmién mnzn on ños térmios pr l ispositivo. El ioo El ioo s l ispositivo smionutor potni más snillo. Simplmnt onu orrint n un irión y l loqu n l otr. Por llo s uo pr pliions rtifiión simpl (onvrsión CA CC). Ls os mprss prsors ABB ASEA y BBC omnzron l srrollo los prinipios l é Ls tivis BBC s ntrn n Bn, Suiz, y ls ASEA n Luvik, Sui. BBC ró su Not pi págin 1 Vés tmién A. Moglstu, Dl ro mrurio l intrruptor hírio: 100 ños ltróni potni n ABB Rviw 2/2013, págs Gnrions 85

3 En ls pliions omo rtifior, los tiristors prsntn l vntj sor los ioos qu s pu ontrolr l ángulo fs y, n onsuni, rgulr l flujo nrgí. 1 Primros hitos l histori los 1787 Antoin Lvoisir propon l xistni l lmnto químio siliio 1824 Jöns Jo Brzlius ísl siliio puro Dnio Mihl Fry osrv un pnni on l tmprtur l rsistivi l sulfuro plt, no onform on l un mtl Alxnr-Emon Bqurl osrv l fto fotovoltio Krl Frinn Brun osrv l rtifiión n los sulfuros mtálios Clmns Winklr sur l lmnto grmnio Josph John Thomson sur l ltrón Jgish Chnr Bos, Grnlf Whittir Pikr y otros srrolln l "ttor igot gto", un primitivo rtifior smionutor pr rptors rio Hnry Josph Roun invnt l ioo misor luz Aprn los primros rtifiors omrils sos n ioos pr pliions j potni Julius Egr Lilinfl propon l prinipio l trnsistor fto mpo Aln Hrris Wilson xpli ls ns nrgí 1939 Russll Ohl sur l unión p-n Willim Shokly, John Brn, Wltr Brttin y otros frin l primr trnsistor n Bll Ls Willim Shokly sri l prinipio l tiristor (l primr tiristor lo frió Gnrl Eltri n 1956 y lo omrilizó n 1958; BBC prsnt su primr tiristor n 1960) BBC y ASEA ominzn form inpnint l srrollo potni Al no isponr mios pr ontrolr irtmnt un rtifior ioos, l trión r ontrol por un onmutprimr smionutor n L siguió l primr ioo omril (100 V / 100 A), stino l rtifiión pr l ltrolisis n Los primros isños ioos BBC mpln grmnio, pro io ls limitions térmis y loquo tnsión l mtril, fu sustituio pronto por siliio. El tiristor Pr ir más llá ls pliions rtifiión simpl, s pris un ispositivo qu puir sr nnio n un momnto ritrrio. El isño más uo pr llo fu l tiristor, un prto uyo prinipio hí sio propusto por Willim Shokly n Un tiristor tin os onttos prinipls, omo un ioo (l ánoo y l átoo), pro - 2 Primr ioo smionutor BBC (grmnio, 1954) más un ontto uxilir (l purt). Un orrint pli n l purt h qu l tiristor mpi onuir (si xist un tnsión positiv ntr l ánoo y l átoo). Un vz qu h omnzo l onuión, s pu liminr l orrint iniior, y l onuión no s intrrump hst qu l orrint prinipl no por jo un vlor umrl (normlmnt n l ps por ro l orrint). No s pu provor l pgo ritrrimnt mnos qu s utilin iruitos uxilirs pr forzr rtifiilmnt l pso por ro). Por so los tiristors son muy uos pr pliions invrsors (onvrsión CC CA) n ls qu l r rptor s lo stnt furt (por jmplo, mint l soport gnrión lol) pr prmitir un onmutión forz l invrsor. Tmién stán in ptos pr tur omo rtifiors, pus prsntn l vntj sor los ioos qu s pu ontrolr l ángulo fs y, por tnto, rgulr l flujo nrgí. BBC frió su primr tiristor n Apliions trión logrs Un primr pliión trión onsgui on ioos fu l loomotor tipo R4/4 (4.980 kw) fri por l ompñí frrorrils BLS (Suiz) prtir Ests loomotors, qu sigun inorporno sus iruitos rtifiors originls, ontinún n srviio. 86 ABB rviw 3 14

4 3 En 1961, BBC prsntó su primr tiristor /1.200 V / 100 A). L gm ioos llgó 650 V / 200 A. 4 L loomotor R 4/4 (1964) BLS (Suiz) utiliz ioos BBC. 5 L loomotor R (1967) SJ (Sui) utiliz tiristors ASEA. 6 Evoluión l potni onmutión 1E mm 125 mm 150 mm Potni onmutión (VA) 1E+07 1E+06 GTO IGCT Enpsulo prsión Aislo Tiristor GTO/IGCT IGBT 1E Año or toms l trnsformor. No ostnt, tn rápio r l vn qu n 1967 ASEA omnzó frir un loomotor ontrol on tiristors. Est fu l l tipo R kw pr SJ (Frrorrils Suos) 5. Tmién sigun n srviio muhs sts máquins. Mjors n los Ds 1960 hst 1980, ls tnsions loquo y ls potnis qu s poín mnjr n ispositivo rió form prátimnt linl 6 7. En 1976, BBC s onvirtió n l primr frint uropo n introuir l opo por trnsmutión nutrons (omo ltrntiv l opo on átomos fósforo, s irrirín nutrons n l siliio, onvirtino lgunos sus átomos n fósforo). Esto onujo un onntrión muy homogén opnt y prmitió qu ls tnsions loquo umntrn 4 kv. En 1969, BBC quirió Shron y trtó onsolir ls tivis st mprs on ls suys propis. Los plns pr onstruir un plnt friión onjunt n unos trrnos propi Shron n Gln, Suiz, s viniron jo. No ostnt, s rió un instlión morn y in quip n Lmprthim, Almni, n El ño siguint s tomó l isión onntrr llí tos ls tivis friión. A psr llo, lguns ls tivis Enntn s trslron Birr, Suiz. Ls tivis s ntrron llí priniplmnt n srrollo y prouión piloto pro tmién s proujron pquñs ntis friión omril. HVDC A lo lrgo l r l ro mrurio, ASEA hí mntnio un posiión omo lír inisutil l tnologí HVDC io los ltos voltjs loquo sus válvuls. Sin mrgo, l mprs ronoió qu los rn l mino sguir. El primr nl omril HVDC l muno, fho n 1954, ntr l isl su Gotln y l trritorio ontinntl fu omplmnto on un válvul xprimntl n L primr pliión omril pr HVDC ontinuó n l mismo sitio n L innovión rupturist proui por l opión pr HVDC rió l mro l omptni Not pi págin 2 Vés tmién A. Moglstu, 60 ños HVDC: El mino rorrio por ABB s pionro lír l mro, ABB Rviw 2/2014, págs Gnrions 87

5 7 Hitos los 60 ños ABB on los 8 El proyto HVDC Chor Bss (Mozmiqu) Cominz l srrollo n Luvik (ASEA) y Bn (BBC) BBC prsnt su primr ioo (100 V / 100 A). BBC prsnt su primr tiristor (1.200 V / 100 A) Los ioos lnzn 650 V / 200 A S r un nuv plnt n Lmprthim (BBC) Los tiristors lnzn V / 800 A. S ominz l opo por trnsmutión 1976 nutrons (BBC) S r un nuv plnt n Lnzurg (BBC) Los tiristors lnzn 5 kv / 2 ka En 1988, ASEA y BBC s unn pr formr ABB S vn l plnt Lmprthim IXYS S onntrn n Lnzurg ls tivis S prsnt un prototipo IGBT 4,5 kv / 600 A S prsntn los primros prototipos IGCT 4,5 kv / 3 ka L ofrt GTO y ioos lnz 4,5 kv / 4 ka S prsnt l móulo IGBT pr trión 3,3 kv / 1,2 ka. S prsnt l tiristor iirionl ontrolo. ABB lnz un lín omplt IGCT s 500 kw 9 MW. S prsnt l móulo IGBT 4,5 kv / 1,2 ka pr trión on sumiro lor intgro. S prsnt l IGBT 2,5 kv / 700 A pr HVDC light. Ar n Lnzurg l fári ols IGBT 5 pulgs. S prsntn los móulos StkPk 2,5 kv pr HVDC light. S prsnt l pltform prforión suv (SPT) ols lgs 1,2 kv 1,7 kv pr IGBT. S prsnt l pltform SPT lt tnsión IGBT/ioos (on ár trjo sguro qu t rors). S prsnt l pltform móulo HiPk SPT-IGBT 2,5 kv 3,3 kv. Lnzurg morniz l fári ols IGBT 6 pulgs. S prsnt l pltform móulo HV-HiPk SPT-IGBT 3.3 kv 6,5 kv. S prsnt l pltform SPT+ IGBT 1,2 kv 6,5 kv js péris. S prsnt l pltform IGCT tnologí lt potni (HPT). S prsnt l tiristor 8,5 kv / 8 ka. S prsnt l tnologí BIGT lt tnsión. S ñ un mpliión pi n Lnzurg y s quir Polovoi. S prsntn los móulos StkPk 4,5 kv pr HVDC light. S h un mostrión l tnologí IGCT 10 kv. S h un mostrión BIGT pr intrruptor HVDC. Cominzn ls ors l lortorio WBG n Bn-Dättwil. S prsnt l HiPk 2013 mjoro. S prsnt l tnologí BGCT (IGCT on ioo onuión invrs n l mism ol). S prsnt l tnologí IGBT nl mjoro. 60 ños n ABB. El Consjro Dlgo ABB Smionutors, Anrs Nilrp, s gnó pronto un rputión omo irtor rismátio, usno onstntmnt motivr y r utori los mplos. Su sfur otros prtiipnts. Un onsorio formo por AEG, Simns y BBC ntrgó l proyto Chor Bss n Mozmiqu n 1977 (1.920 MW, km) 8 y l Nlson Rivr n Cná n 1978 (900 MW, 940 km n 1985). L friión tiristors pr stos proytos s iviió por igul ntr los trs soios, sino fri l prt BBC n Birr (Lmprthim no st prpr pr los prosos nsrios). Est tivi s trsló un nuv plnt n Lnzurg, Suiz, n En rspust los nuvos omptiors, ASEA usó onsolir su lirzgo intnsifino sus tivis srrollo tiristors. En 1984, l mprs ntrgó l nl Itipú n Brsil qu tmién rompí rors (780 km, 500 kv / MW). El GTO El myor inonvnint l tiristor s su nsi iruitos uxilirs pr soportr l onmutión uno l r CA rptor s éil, o n un onvrsión CC CC. Est ifiult fu front por l tiristor pgo por purt (GTO). Un GTO s similr un tiristor, pro pu pgrs utilizno un orrint ngtiv n l purt. Los GTO s hiiron spilmnt populrs n ls pliions ions por motor. Aunqu los GTO y stn isponils n 1960, tnto BBC omo ASEA ntrron tr n st mro. BBC prsntó su primr GTO n 1980 (1.400 V). Sin mrgo, fu un uro trnsfrni tnologí on Toshi n 1985 lo qu finlmnt prmitió l ompñí ngnhrs l rro. A psr st iniio trío, ABB i n los últimos ños onvrtirs n un lír munil l friión GTO, spilmnt porqu muhos omptiors hín pnso rrónmnt qu l tnologí s nmin hi l osolsni (io los srrollos IGBT) y hín rro sus tivis. L fusión Siguino l fusión ASEA y BBC pr formr ABB n 1998, s iió onntrr tos ls tivis n Lnzurg. S vniron IXYS ls instlions Lmprthim y s rrron ls Vstrs n Ls tivis friión ABB furon is un mprs susiiri, ABB Smionutors Lt. Antriormnt, ABB hí onsiro los omo un tivi priniplmnt intrn, on prtos qu s srrolln y frin nt too pr umplir los rquisitos otrs prts l mprs. ABB Smionutors rompió st prigm y mplió l mro ABB vnino tivmnt frints xtrnos sistms. 88 ABB rviw 3 14

6 9 Sión trnsvrsl un ispositivo ontto prsión 10 Sión trnsvrsl un móulo HiPk IGBT. 11 Móulo HiPk 3,3 kv prsnto n 2003 En los móulos ontto por prsión, l orrint rg ntr trvés () un suprfii y sl por l suprfii opust. L j rsistni létri y térmi los onttos qu sgur por l lv prsión máni sor ss suprfiis. En los móulos npsulo islo, l smionutor (f) stá islo glvánimnt l sumiro lor (). Los onttos létrios intrnos l móulo s stln por mio hilos unión. f g Sumiro lor Compnsión CTE (Mo) Enpsulo (rámio) Cor Smionutor Conxions limntión y ontrol Hilo unión Sumiro lor f g Crámi (normlmnt AIN) Pl s (normlmnt AISiC) Smionutor Enpsulo zo ontinuo pr onsguir un mjor li tnto n proutos omo n prosos hizo ABB Smionutors finlist l prmio Europn Qulity Awr En 1996 fu signo Supplir of th Yr por Gnrl Eltri. Nilrp tmién nzó l ngoio los n l Grupo ABB n un momnto n qu l Grupo vio sus prioris n otros sitios. Su myor logro st rspto fu onsguir fonos y proión pr l nuv fári BiMOS (IGBT y ioo), qu rió n Lnzurg n IGBT Un IGBT (trnsistor ipolr purt isl) s un ispositivo onmutión qu s pu ontrolr plino l purt un tnsión n lugr un intnsi, lo ul simplifi l isño l ontrol purt. Otr propi vntjos s nuntr n l pi ortoiruito l IGBT. Cuno l tnsión sto tivo su por nim un nivl rítio, l ispositivo limitrá intrínsmnt l intnsi. D st mnr, un IGBT sorviv oniions funionminto xpionls sin prisr iruitos protión iionls. Toos stos ftors prmitn tnr isños onvrtiors más snillos. Otr vntj los IGBT s nuntr n su instlión máni. Los GTO y los tiristors lifiions más lts son ispositivos onttos prsión 9, lo qu signifi qu l orrint irul vrtilmnt un suprfii l pqut otr. Pr sgurr un onutivi létri y térmi fil, s montn los ispositivos n pils somtios un prsión spifi. El prsonl mntniminto no pu sustituir uno qu hy fllo sin tnr qu smontr to l pil. En los móulos IGBT islos, l orrint irul trvés los trminls xtrnos l móulo, qu stán toos llos oloos n l mismo lo l móulo 10. El ontto létrio intrno on los ispositivos s sgur mint hilos unión, mintrs qu l onutivi térmi s h trvés l pl s no onutor 11. Ams onxions, máni y létri utilizn prnos. Por tnto, uno los ispositivos s pu sustituir on muh más fili. No ostnt, hy pliions qu prisn móulos npsulos prsión (por jmplo, hy rquisitos runni qu pun pnr móulos on fllos qu ign n ortoiruito y prmnzn n s situión). Los móulos IGBT StkPk ABB onsirn sts pliions 12. Pusto qu ls instlions friión ABB no s prprron iniilmnt pr l omplji l proso friión los IGBT, l prouión iniil l mprs pní prts l proso qu s llvn o n instlions xtriors. L trminión n 1998 l fári BiMOS n Lnzurg prmitió ABB hrs rgo l fin too l proso prouión IGBT intrnmnt. En los ños siguints, on más mjors tnológis n términos mnors péris y myor soliz, los IGBT s introujron n muhos mros ominos ntriormnt por los GTO, tls omo los Un GTO s similr un tiristor, pro pu pgrs utilizno un orrint ngtiv n l purt. Gnrions 89

7 12 Móulos StkPk 2,5 kv pr HVDC light prsntos n Móulos IGCT pr ivrss lss potni (1997) motors mrinos y frrorrils, pro tmién nuvs pliions tls omo onvrtiors pr nrgí óli, trnsformors sos n ltróni potni y l intrruptor hírio rvoluionrio pr HVDC qu ABB lnzó n Los tiristors y los GTO s finn Aunqu prí rzonl suponr qu l rápio vn los IGBT implirí un fin igul rápio l r los GTO, l mn stos ispositivos sigu sino furt n l tuli. D hho, l srrollo ontinú. En 1997, ABB prsntó un nuvo ispositivo so n GTO: l IGCT (tiristor onmuto purt intgr). Un IGCT s snilmnt un GTO on un uni purt intgr. El prfil opo sgur mnors péris mintrs qu un pulso orrint, intnso pro rv, sgur un pgo rápio 13. El mro los tiristors sigu tmién rino, pus l ispositivo sigu sino l smionutor lión pr los nls HVDC lt potni. En 2009, ABB prsntó un tiristor 150 mm, 8,5 kv pr sos proytos. Pr mjorr ún más su prsni n l mro ipolr, ABB quirió n 2010 l mprs Polovoi, on s n Prg. Not pi págin 3 Vés tmién M. Cllvik t l., Innovión rvoluionri El intrruptor HVDC hírio ABB s un innovión rvoluionri qu r l mino ls rs HVDC fils. ABB Rviw 2/2013, págs Un IGBT s un ispositivo onmutión qu s pu ontrolr mint l pliión un tnsión l purt n vz un intnsi, lo qu simplifi muho l friión los mnismos ls purts. En l tuli, l prouión ipolr s llv o n Prg y Lnzurg. El mismo ño s ompltó n Lnzurg un mjor más l pi pr l prouión BiMOS y ipolr. ABB tin sí un furt posiión y pi friión n mos mros. Cruro siliio Mirno l futuro, n 2013 s iniiron ls ors n l ABB Corport Rsrh Cntr Bn-Dttwil, Suiz, pr un lortorio invstigión io mtril ltróni potni pr n prohii nh. Los SiC (ruro siliio), por jmplo, prsntn mnos péris qu los siliio y mjor tolrni l lor. Ls ompñís prsors ABB hín invstigo y l SiC n los ños 1960 y 1990, pro s ntons l onoiminto ls ténis friión h vnzo hst l punto qu sos ispositivos hn pso sr rlizls. Listos pr l futuro L n suministro potni létri, qu ur trnsport, onvrsión y ntrg, stá mr n un r mios psionnts. El lo l mn stá sino nimo por l riminto y l intgrión nrgís rnovls y un myor énfsis n l fiini. Pro sts mns sguirín sino un ilusión si no fur por l progrso los qu stá hino posil st rvoluión. Christoph Holtmnn Svn Klk Munf Rhimo ABB Smionutors Lt. Lnzurg, Suiz hristoph.holtmnn@h..om svn.klk@h..om munf.rhimo@h..om Anrs Moglstu ABB Rviw Zurih, Suiz nrs.moglstu@h..om Lturs romns H. Zllr, Los hips gnors: Histori los potni ABB. Rvist ABB 3/2008; págs ABB rviw 3 14