SiC MOSFET frente a Si IGBT: Ventajas de SiC MOSFET

Por Omara Aziz

MOSFET vs. IGBT: El futuro del control de accionamiento de motores

Dispositivos electromecánicos — interruptores, solenoides, codificadores, generadores y motores eléctricos — son el puente fundamental del mundo digital al mundo físico. La magia de todos estos dispositivos es su capacidad para convertir señales eléctricas en acciones mecánicas.
 
A medida que avanzan industrias como la fabricación automatizada, los vehículos electrónicos, los sistemas de construcción avanzados y los electrodomésticos inteligentes, también crece la demanda de mayor control, eficiencia y capacidades de estos dispositivos electromecánicos. Este artículo explora cómo los avances en MOSFET de carburo de silicio (SiC MOSFET) están redefiniendo las capacidades de los motores eléctricos que históricamente han utilizado IGBT de silicio (Si IGBT) para la inversión de potencia. Esta innovación amplía las capacidades de las aplicaciones de control de motores en casi todas las industrias.

¿Qué son los IGBTs de Si y los MOSFETs de SiC?

Si IGBT es una abreviatura de transistores bipolares con puerta aislada de silicio. SiC MOSFET es una abreviatura de transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico de carburo de silicio.
 
Los Si IGBT son dispositivos controlados por corriente que se activan mediante una corriente aplicada al terminal de puerta del transistor, mientras que los MOSFET son controlados por voltaje mediante un voltaje aplicado al terminal de puerta.
 
La diferencia principal entre los Si IGBT y los SiC MOSFET es el tipo de corriente que pueden manejar. En general, los MOSFET son adecuados para aplicaciones de conmutación de alta frecuencia, mientras que los IGBT son más adecuados para aplicaciones de alta potencia.

Por qué los IGBTs de silicio y los MOSFETs de carburo de silicio son esenciales en aplicaciones de accionamiento de motores

Los motores eléctricos son ubicuos en la tecnología moderna y a menudo dependen de sistemas de baterías como fuente de energía. Por ejemplo, los vehículos eléctricos utilizan sistemas de baterías masivos que proporcionan energía de CC al vehículo, creando así movimiento físico a través de motores eléctricos de CA. El control absoluto de estos motores de CA es esencial para el rendimiento y la eficiencia del vehículo, así como para la seguridad de los ocupantes. Sin embargo, este sistema de tren motriz depende de inversores para convertir la energía de CC de la batería en una señal de CA que los motores pueden usar para crear movimiento.
 
Estos inversores controlan precisamente la velocidad, el torque, la potencia y la eficiencia del motor y permiten capacidades de frenado regenerativo. En definitiva, el inversor es tan valioso para el sistema de tren motriz como el motor. Como ocurre con todos los dispositivos en aplicaciones de energía, los inversores pueden variar drásticamente en capacidades y requisitos de diseño, y son esenciales para el rendimiento general del sistema de energía de CC al sistema del motor de CA.
 
En las aplicaciones de accionamiento de motores de CC a CA modernas se utilizan dos tipos de inversores: IGBTs de silicio y MOSFETs de carburo de silicio. Históricamente, los Si IGBTs son los más comunes, pero los SiC MOSFETs han multiplicado su popularidad dado sus diversas ventajas de rendimiento y sus costos en constante disminución. Cuando los SiC MOSFETs llegaron al mercado por primera vez, eran ampliamente prohibitivos en costos para la mayoría de las aplicaciones de accionamiento de motores. Sin embargo, a medida que aumenta la adopción de esta tecnología superior, la fabricación a escala ha reducido drásticamente el costo de los SiC MOSFETs.

Ventajas y desventajas del IGBT de Si frente a los MOSFETs de SiC

Los IGBTs de silicio se han utilizado históricamente en aplicaciones de conversión de corriente continua a corriente alterna para motores debido a su alta capacidad de manejo de corriente, alta velocidad de conmutación y bajo costo. Más importante aún, los IGBTs de silicio tienen un alto voltaje nominal con una baja caída de voltaje, pérdidas de conductancia e impedancia térmica, lo que los convierte en una opción obvia en aplicaciones de accionamiento de motores de alta potencia, como los sistemas de fabricación. Sin embargo, una desventaja considerable de los IGBTs de silicio es que son muy susceptibles al sobrecalentamiento térmico. El sobrecalentamiento térmico ocurre cuando la temperatura del dispositivo aumenta de manera incontrolable, provocando un mal funcionamiento del dispositivo y, eventualmente, su falla. En aplicaciones de accionamiento de motores donde las condiciones de alta corriente, voltaje y operativas son comunes, como en vehículos eléctricos o en fabricación, el sobrecalentamiento térmico puede ser un riesgo de diseño significativo.
 
Como solución a este desafío de diseño, los SiC MOSFETs son más resistentes al sobrecalentamiento térmico. El carburo de silicio es más conductivo térmicamente, permitiendo una mejor disipación de calor a nivel de dispositivo y temperaturas de operación estables. Los SiC MOSFETs son más adecuados para espacios con condiciones de ambiente más cálidas, como las aplicaciones automotrices e industriales. Además, dada su conductividad térmica, los SiC MOSFETs pueden eliminar la necesidad de sistemas de enfriamiento adicionales, reduciendo potencialmente el tamaño total del sistema y potencialmente reduciendo el costo del sistema.
 
Dado que los SiC MOSFETs operan a frecuencias de conmutación mucho más altas que los IGBTs de silicio, son ideales para aplicaciones donde el control preciso del motor es esencial. Las altas frecuencias de conmutación son fundamentales en la fabricación automatizada, donde se utilizan servomotores altamente precisos para el control de brazos de herramientas, soldadura de precisión y colocación precisa de objetos.
 
Además, una ventaja notable de los sistemas de controlador de motores SiC MOSFET sobre los sistemas de controlador de motores IGBT de silicio es su capacidad para integrarse dentro de los conjuntos de motores, con un controlador de motor e inversor incrustados dentro del mismo alojamiento que el motor.
 
Al mover el ensamblaje del controlador de motor a la ubicación local del motor, se puede reducir drásticamente el cableado entre los inversores de accionamiento y el controlador de motor, permitiendo ahorros significativos. En el ejemplo de la Imagen B, un gabinete de potencia tradicional de IGBT de silicio puede requerir 21 cables únicos para alimentar los siete motores (etiquetados como ‘M’) del brazo robótico, lo que podría equivaler a cientos de metros de una infraestructura de cableado cara y compleja. Con un sistema de accionamiento de motor SiC MOSFET, el recuento de cables puede reducirse a dos cables largos que se conectan a los accionamientos de cada motor dentro del montaje local del motor.

Desventajas de los MOSFETS de SiC frente a los IGBT de Si

Sin embargo, hay desventajas en los MOSFET de SiC frente a los IGBT de Si. Primero, los MOSFET de SiC todavía son más caros que los IGBT de Si, lo que los hace potencialmente menos adecuados para aplicaciones sensibles al costo. Aunque los MOSFET de SiC en sí mismos son más caros, algunas aplicaciones pueden ver una reducción de precio en el sistema general del controlador de motor (por reducción de cableado, componentes pasivos, manejo térmico, etc.) y pueden ser más baratos en general en comparación con un sistema de IGBT de Si. Este ahorro de costos puede requerir un análisis de diseño y estudio de costos detallado entre los dos sistemas de aplicaciones pero podría conducir a una mayor eficiencia y ahorro de costos.
 
Otra desventaja de los MOSFET de SiC es que pueden presentar requisitos más complejos de manejo de puerta que pueden hacerlos menos ideales que los IGBT en aplicaciones donde otros componentes del sistema puedan limitar los recursos de manejo de puerta.

Tecnología de inversor mejorada con MOSFET de carburo de silicio

Los MOSFET de carburo de silicio han mejorado drásticamente la tecnología de inversores para los sistemas de accionamiento de motores. Como ocurre con todos los tipos de componentes, hay aplicaciones particulares donde los IGBT pueden estar mejor adaptados. Sin embargo, los inversores SiC MOSFET ofrecen varias ventajas distintas sobre los IGBTs de silicio, lo que los convierte en soluciones muy atractivas para aplicaciones de accionamiento de motores y una amplia variedad de otras aplicaciones.
 
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