Semiconductores de potencia

Lo más brillante de la energía

Semiconductores de potencia
Primera parte: Bases y aplicaciones
Stefan Linder

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 enaplicaciones de alta tensión y alta intensidad para controlar potencias de salida de entre un megavatio y varios gigavatios. 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 sistemaselectrónicos de potencia. Este artículo, dirigido a lectores con ciertos conocimientos de este tema, es la primera de dos partes 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 venta-

jas y desventajas específicas, así como algunos aspectos importantes relativos a su aplicación. Enla segunda parte analizaremos aspectos térmicos y cuestiones relativas al diseño del encapsulado. Además, intentamos hacer un pronóstico sobre los desarrollos futuros y sobre la importancia que tendrán en este campo de la alta potencia materiales de ‘amplio salto de banda’ como el SiC (carburo de silicio), el GaN (nitruro de galio) y el diamante.

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Revista ABB 4/2006

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a introducción de la tecnología de transmutación de neutrones en los años setenta del pasado siglo hizo posible la fabricación de dispositivos semiconductores de potencia 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 eltiristor 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 instante cualquiera. 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, eltransistor 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 incrementaron notablemente el espectro de definiciones de tareas explotables eficientemente. Gracias a estos dispositivos, los accionamientos eléctricos de velocidad variable en el rango de megavatiosrepresentan 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 los gigavatios, 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 sidoperfeccionados 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 conse-

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cuencia ha perdido vigencia el viejo 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 usanahora 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 el fuerte 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...