Investigación y caracterización de nuevos dispositivos Semiconductores de banda ancha para el diseño de Inversores modulares estándar de alta frecuencia, con Controlador Flexible Embebido para su integración en sistemas específicos de Tratamiento Térmico por inducción en la industria del futuro ( SiC-FET²)

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Introducción

El material Carburo de Silicio es conocido e investigado desde hace más de diez años para su aplicación en dispositivos de potencia, sin embargo, su uso como componentes de tipo transistor no se ha extendido debido a la baja fiabilidad motivada por a las imperfecciones generadas durante su fabricación. Las imperfecciones indicadas giran en torno a aspectos intrínsecos del proceso productivo de las obleas y que solamente permitían la fabricación de componentes de tipo transistor de tamaño reducido, y en consecuencia, de baja potencia.

Sin embargo, en estos últimos años las técnicas de fabricación han mejorado notablemente permitiendo obleas con un número menor de imperfecciones, y en consecuencia, mayores tamaños de componentes y transistores MOSFET de mayores potencias. Concretamente, los tamaños de los SiC-MOSFET se sitúan actualmente en 56mm2 con una resistencia de canal de 5,5 mOhm/cm2, permitiendo mayores concentraciones de potencia y mayores temperaturas de funcionamiento que la tecnología convencional de Silicio.

La reducción de pérdidas que aporta el Carburo de Silicio frente a los componentes tipo transistor convencionales, se encuentra entre el 50% y el 80%. Adicionalmente dicha tecnología ofrece mejoras en la eficiencia del módulo, en la capacidad dv/dt, en la robustez frente a sobretensiones, reducción del número de componentes requeridos, así como posibilitan el trabajo con altas temperaturas y frecuencias. Todo lo indicado lo hacen candidato para la sustitución de las actuales tecnologías de Si por la tecnología de SiC.

 

 

El objetivo científico tecnológico del proyecto SiC-FET² es la investigación de demostradores de la tecnología de Carburo de Silicio (SiC) en aplicaciones específicas de alta frecuencia en el campo de calentamiento por inducción y que incorporen como elemento semiconductor transistores SiC-MOSFET. La investigación de los demostradores se centrará en el desarrollo de Módulos Inversores Básicos (MIB) de potencia basados en la tecnología de Carburo de Silicio, novedosos circuitos de disparo de los SiC-MOSFET de Carburo de Silicio y un controlador totalmente digital con prestaciones avanzadas, incluyendo la capacidad de actualización del SW y FW remotamente y contemplando todas las estrategias de control del puente inversor.

Resumen del proyecto

El alcance del proyecto se centra en el desarrollo de tres demostradores de la tecnología de Carburo de Silicio aplicados al campo del tratamiento térmico industrial por inducción, en concreto:

• Generador de alta potencia (200 kW) y alta frecuencia (400 kHz) como demostrador, de la tecnología SiC-MOSFET en alta potencia y frecuencia, en:
  • Aplicaciones soldadura de tubo
  • Aplicaciones especiales de temple superficial.
• Generador de baja potencia (25 kW o menor), así mismo como demostrador de la tecnología SiC-MOSFET en este caso en baja potencia y media frecuencia, refrigerado por aire para aplicaciones de:
  • Soldadura con aportación.
• Un interfaz de usuario con las comunicaciones y algoritmos necesarios para ser integrados en las fábricas del futuro de acuerdo con el esquema general del proyecto alemán INDUSTRY-4 AUTOMATION.

 

El proyecto ha sido cofinanciado por el Ministerio de Industria, Energía y Turismo, dentro del Plan Nacional de Investigación Científica, desarrollo e Innovación Tecnológica 2013-2016, así como cofinanciado por fondos FEDER. El número de referencia del proyecto es TSI-100103-2015-26.