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Repercusión de la tecnología SiC y GaN en el desarrollo de los nuevos componentes pasivos

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Los dispositivos WBG ponen al límite las capacidades de los componentes pasivos

Para seguir el ritmo de las innovaciones de proceso de semiconductor, la tecnología SiC y GaN presenta algunos desafíos a los componentes pasivos esenciales usados en circuitos de conversión de potencia y control de motor.

Un beneficio importante de la mayor capacidad de frecuencia de conmutación radica en que el valor y, por lo tanto, el correspondiente tamaño de los inductores y los condensadores pueden ser considerablemente menores. Junto con el menor formato que los dispositivos SiC y GaN requieren, los componentes pasivos más compactos hacen que el tamaño total de un convertidor o controlador también sea significativamente inferior. Las bajas pérdidas de conducción (Rds-on) se traducen en una menor necesidad de disipación de calor en la gestión térmica y, a su vez, en una solución más eficiente y de mucho menor tamaño.

Sin embargo, la naturaleza de muchos otros beneficios de los dispositivos WBG implica que múltiples condensadores e inductores previamente usados en circuitos de alimentación ya no serán adecuados.

Los condensadores necesitarán tensiones operativas superiores y ser capaces de gestionar elevados transitorios dv / dt, a pesar de que su tamaño es menor por las mayores frecuencias de conmutación. Otro aspecto crítico de la frecuencia de conmutación superior hace que la resistencia serie equivalente (ESR) y las características de autocalentamiento interno resultantes tienen un impacto notable en el rendimiento. Además, las longitudes de carga, particularmente para los condensadores de película, traen una inductancia serie equivalente (ESL) para complicar aún más el diseño del circuito.

Los condensadores cerámicos están demostrando ser una solución excelente para diseños basados en WBG. Un ejemplo es la serie CeraLink de TDK Corporation que está específicamente diseñada para uso como DC-link y circuitos de amortiguación y está construida en un material cerámico que utiliza un enfoque multicapa (MLCC) y ofrece una elevada densidad de capacidad. Los condensadores DC-link empleados en aplicaciones de conversión de potencia y control de inversor suelen tener un elevado valor de capacidad y son de mayores dimensiones, ocupando a menudo un área significativa de espacio de tarjeta.

Figura 2 – Condensadores cerámicos TDK CeraLink para uso en DC-link y circuitos de amortiguación.
Figura 2 – Condensadores cerámicos TDK CeraLink para uso en DC-link y circuitos de amortiguación.

Por el contrario, los condensadores CeraLink de TDK son más compactos y ofrecen una excelente capacidad de gestión térmica que permite la operación a una temperatura de hasta +150 grados C, pudiéndose ubicar cerca de semiconductores WBG de alta temperatura.

Otro ejemplo de producto es la serie KC-Link de condensadores cerámicos multicapa de grado automoción de KEMET que se distingue por una operación de alta frecuencia de hasta 10 MHz y unas características de ESR y ESL extremadamente bajas.

Los inductores, los transformadores y otros componentes magnéticos también reducirán su tamaño gracias a las frecuencias de conmutación superiores. Las pérdidas en cualquier componente inductivo aumentan proporcionalmente con la frecuencia, por lo que serán necesarias nuevas innovaciones de material de inductor para que los diseños de circuito se beneficien completamente de las ventajas de los semiconductores WBG.

Un ejemplo es la serie Vishay IHLP-0H de inductores de bajo perfil con diseño compacto y apantallado. Al gestionar hasta 45 A, esta serie ofrece bajos valores de inductancia de 0,1 a 1 µH que exhiben características de resistencia DC y pérdida extremadamente bajas, cumpliendo los requisitos de aplicaciones de conversión de frecuencia de hasta 10 MHz.

Las tecnologías SiC y GaN están respaldando las aplicaciones de conversión de potencia y control de motor en términos de eficiencia y tamaño de PCB. Los componentes pasivos ya se encuentran disponibles con las especificaciones necesarias para sacar el máximo partido a dichas innovaciones de semiconductor WBG.

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