Estudio comparativo de las tecnologías de semiconductores basadas en Si, SiC y GaN para su empleo en los convertidores de tracción en vehículos eléctricos.

Abstract

[ES] En este trabajo se examina el estado de las tecnologías de transistores de potencia fabricados a partir de silicio (Si), carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN), desde el punto de vista de su aplicación en inversores de tracción para vehículos eléctricos. Para comenzar, se determinan las características deseadas en los semiconductores para este uso. Seguidamente, se estudian las tres tecnologías y su implantación actual en el ámbito de aplicación. De cada una se contemplan los tipos más destacados: de Si, los IGBT; de SiC, los JFET y MOSFET; de GaN, especialmente los HEMT, pero también los CAVET, MOSFET, GIT y JFET. Los IGBT de Si gozan de robustez y bajas pérdidas de conducción. La reducida resistencia de encendido de los transistores de SiC y GaN les permite competir en eficiencia, e incluso sobrepasar los límites del Si, pero aún tienen problemas que resolver, especialmente los de GaN, que ya se han afianzado en las bajas tensiones, pero todavía presentan inconvenientes en las altas.

Finalmente, se estudia el mercado de fabricantes de semiconductores en busca de modelos, de los cuales se seleccionan tres, un IGBT de Si, un MOSFET de SiC y un HEMT de GaN. Se utilizan sus modelos SPICE en varias simulaciones de inversores trifásicos con modulación vectorial en LTSpice. El IGBT es el que tiene mayores pérdidas, y el MOSFET de SiC es el más eficiente. Los nuevos materiales permiten obtener transistores con mejores características, pero con un coste considerablemente mayor.

[EN] This paper examines the state of power transistor technologies made from silicon (Si), silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), from the point of view of their application in traction inverters for electric vehicles. To begin with, the desired characteristics of semiconductors for this use are determined. Then, the three technologies and their current implementation in the field of application are studied. The most outstanding types of each are contemplated: for Si, the IGBTs; for SiC, the JFETs and MOSFETs; for GaN, especially the HEMTs, but also the CAVETs, MOSFETs, GITs and JFETs. Si IGBTs present robustness and low conduction losses. The low on-resistance of SiC and GaN transistors allows them to compete in efficiency, and even surpass the limits of Si, however, they still exhibit problems to solve, especially the GaN transistors, which have already established themselves at low voltages, but are still hampered at high voltages.

Finally, the market of semiconductor manufacturers is studied in search of models, of which three are selected, a Si IGBT, SiC MOSFET and GaN HEMT. Their SPICE models are used in several simulations of three-phase inverters with space vector modulation in LTSpice. The IGBT has the highest losses, and the SiC MOSFET is the most efficient. New materials allow to obtain transistors with better characteristics, but at a considerably higher cost.

[CA] En aquest treball s'examina l'estat de les tecnologies de transistors de potència fabricats a partir de silici (Si), carbur de silici (SiC) i nitrur de gal·li (GaN), des del punt de vista de la seva aplicació en inversors de tracció per a vehicles elèctrics. Per a començar, es determinen les característiques desitjades en els semiconductors per a aquest ús. Seguidament, s'estudien les tres tecnologies i la seua implantació actual en l'àmbit d'aplicació. De cadascuna es contemplen els tipus més destacats: de Si, els IGBT; de SiC, els JFET i MOSFET; de GaN, especialment els HEMT, però també els CAVET, MOSFET, GIT i JFET. Els IGBT de Si gaudeixen de robustesa i baixes pèrdues de conducció. La reduïda resistència d'encesa dels transistors de SiC i GaN els permet competir en eficiència, i fins i tot sobrepassar els límits del Si, però encara tenen problemes que resoldre, especialment els de GaN, que ja s'han afermat en les baixes tensions, però encara presenten inconvenients en les altes. Finalment, s'estudia el mercat de fabricants de semiconductors a la recerca de models, dels quals se seleccionen tres, un IGBT de Si, un MOSFET de SiC i un HEMT de GaN. S'utilitzen els seus models SPICE en diverses simulacions d'inversors trifàsics amb modulació vectorial en LTSpice. L’IGBT és el que té majors pèrdues, i el MOSFET de SiC és el més eficient. Els nous materials permeten obtindre transistors amb millors característiques, però amb un cost considerablement major