Semiconductores de potencia

Durante los últimos 10 a 15 años, y a raíz del rápido progreso alcanzado en la tecnología de semiconductores, los interruptores de potencia de silicio se han convertido en dispositivos muy eficientes, fiables y de cómoda aplicación. Estos dispositivos han arraigado firmemente en aplicaciones de alta tensión y alta intensidad para controlar potencias de salida de entre un megavatio y variosgigavatios.
Los dispositivos semiconductores de potencia han puesto en marcha una revolución tranquila, en el curso de la cual se están perfeccionando soluciones electromecánicas mediante la adición de electrónica de potencia, o incluso son sustituidas por completo por sistemas electrónicos de potencia.
Este artículo, dirigido a lectores con ciertos conocimientos de este tema, es la primera de dospartes que Revista ABB dedicará a los semiconductores de alta potencia. En esta parte presentamos diferentes clases de dispositivos, especialmente el IGBT e IGCT. Comparamos sus ventajas y desventajas específicas, así como algunos aspectos importantes relativos a su aplicación. En la segunda parte analizaremos aspectos térmicos y cuestiones relativas al diseño del encapsulado.
Además, intentamoshacer un pronóstico sobre los desarrollos futuros y sobre la importancia que tendrán en este campo de la alta potencia materialesde ‘amplio salto de banda’ como el SiC (carburo de silicio), el GaN (nitruro de galio) y el diamante.

La introducción de la tecnología de transmutación de neutrones en los años setenta del pasado siglo hizo posible la fabricación de dispositivos semiconductores depotencia con tensiones de bloqueo de más de 1.000 V. Sólo esta técnica permite producir silicio con la homogeneidad de dopado requerida.
Por aquel entonces, en esta categoría de tensiones el tiristor era el único dispositivo cuya tecnología se dominaba correctamente. Sin embargo, el número de aplicaciones era muy limitado, ya que este dispositivo no permitía el corte de corriente en un instantecualquiera. En los años ochenta y noventa se unieron al tiristor varios dispositivos con capacidad de corte: el tiristor de corte de puerta o GTO (Gate Turn-Off Thyristor) y, posteriormente, el transistor bipolar con puerta aislada o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) y el tiristor conmutado con puerta integrada o IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor).
Estos dispositivos incrementaronnotablemente el espectro de definiciones de tareas explotables eficientemente.
Gracias a estos dispositivos, los accionamientos eléctricos de velocidad variable en el rango de megavatios representan hoy día la más avanzada tecnología y sería imposible imaginar la transmisión de energía eléctrica y los sectores de estabilización de redes, donde las aplicaciones alcanzan sobradamente el rango de losgigavatios, sin la existencia de soluciones basadas en componentes semiconductores de potencia.
Durante los diez últimos años, el IGBT y el IGCT (que sustituyeron al GTO) han sido perfeccionados en cuanto a pérdidas, resistencia a la tensión, capacidad de transporte de corriente (SOA = Safe Operating Area, área de funcionamiento seguro) y facilidad de uso. En consecuencia ha perdido vigencia elviejo paradigma, admitido todavía a finales de los noventa, según el cual los IGBT son adecuados para salidas de ‘pequeña’ potencia y los IGCT para potencias mayores.
Los IGBT se usan ahora con excelentes resultados en aplicaciones con salida superior a 300 MW [1]. Sin embargo, de esto no se puede concluir que el IGCT perderá su razón de ser como resultado del avance del IGBT, como lo demuestra elfuerte crecimiento de aplicaciones de éste, sobre todo en el rango de tensiones medias. La decisión acerca de cuál es el componente más adecuado para una aplicación deseada depende de diversos factores técnicos, que se aclararán en cierta medida en este artículo.
No obstante, en este contexto no debe subestimarse el know-how y la experiencia del usuario al hacer la selección correcta. Dado que la...