Este sistema nació hacia el año 2000 y ya se encuentran en la segunda o tercera generación y todavía representan la mayor eficiencia.

La miniaturización de los sistemas es una tendencia seguida en todos los sistemas electrónicos y en particular en las portátiles. En muchos de ellos la dimensión y el peso de las fuentes de alimentación son un parámetro dominante de todo el sistema y cada vez más fuentes de fabricantes de fuentes alternantes (SMPS – fuente de poder de modo alternante) definen sus futuros desarrollos en función de aumentar la densidad de potencia de sus dispositivos.

Las soluciones más comunes utilizados se centran en dos aspectos:

• La reducción de la dimensión de los componentes pasivos (aumento de la frecuencia de conmutación) y
• Reducción de pérdidas (y el correspondiente esfuerzo necesario para la refrigeración a través de disipadores y / o ventiladores).

Para alcanzar estos objetivos los principales componentes deben reducir significativamente las pérdidas de la conmutación y es por eso que los semiconductores unipolares, como los MOSFET y diodos de barrera Schottky (SBD) sustituyeron, en la mayoría de los casos, los dispositivos bipolares. La belleza de los semiconductores unipolares es la ausencia de acumulación del portador de carga minoritaria y así, idealmente, de una conmutación instantánea sólo limitado por pequeñas capacitancias parasititas. Hoy en día es posible encontrar MOSFETs con el bloqueo de tensiones de hasta 1.000/1.200 y 1500 voltios, pero esto no es cierto para el SBD porque son capaces de bloquear tensiones de hasta 250/300 voltios por las características intrínsecas de los materiales básicos tales como el silicio (Si) o el arseniuro de galio (GaAs).

El SiC

Hay alrededor de 170 estructuras cristalinas de este compuesto químico cuya dureza es casi comparable con la dureza del diamante, pero sólo dos estructuras están disponibles, clasificados como 4H-SiC y 6H-SiC, la primera siendo la más comúnmente utilizada en electrónica dadas sus características mayor uniformidad en las tres dimensiones (3D).

En el cuadro 1 se comparan las características electrónicas fundamentales de: silicio, arseniuro de galio y SiC.

Tabla
1: Características electrónicas básicas of Si, GaAs, and 4H-SiC

El alto valor del campo eléctrico de rotura permite la utilización de la SiC en las aplicaciones que puedan funcionar de 600 a 2,000 voltios. Las ventajas ofrecidas por las propiedades intrínsecas de SiC pueden resumirse en tres puntos:

• 10 veces mas campo eléctrico de rotura que reduce drásticamente la resistencia a la conducción (sobre la resistencia) - véase el gráfico de la Fig.1: a 600 V los diodos de SiC tienen un Ron de 1,4 m- cm2, la cual es mucho menor que GaAs y SBD in Si.
•  La alta energía de banda eleva significativamente la barrera semiconductor-metal de Schottky, lo que significa que la fuga de las corrientes es extremadamente pequeña, incluso a las altas temperaturas de juntura.
• La alta conductibilidad térmica reduce la resistencia térmica, facilitando así la dispersión de calor.

Diodos de Schottky - SiC vs Si

Históricamente los sistemas de energía que operan desde 600 a 1200 voltios usan pin diodos de silicio que, cuando bajo carga directa, tienden a almacenar grandes cantidades de huecos de carga. Estas cargas deben ser removidos, recombinándose con las cargas mayoritarias cuando el diodo está en un estado de "no conducción". Este proceso toma tiempo (cientos de nanosegundos) y provoca una particularmente importante corriente inversa (con valores comparables a la corriente continua) que no sólo debe tenerse en cuenta a la hora de dimensionar los dispositivos complementarios (como el circuito de potencia), sino también en gran medida influencia las pérdidas de conmutación del sistema.

Corrección del factor de potencia (PFC)

Este fenómeno se reduce drásticamente en el caso de SiC SBD: el tiempo de apagado es menos de 10 ns y el de corriente reversa es aproximadamente cero. El gráfico de Fig. 2 compara el comportamiento de un diodo SiC de primera generación con un equivalente pin diodo de silicio. Los diodos de SiC también tienen una pequeña carga de desconexión (<2A), debido a la carga de juntura, pero es independiente de la temperatura, del nivel de la corriente continua y de la derivada di / dt. Una de las aplicaciones que más probablemente involucrará la participación de diodo Schottky de SiC es la corrección de los sistemas de factor de potencia (PFC - corrección del factor de potencia). En las fuentes de alimentación tradicionales, la corriente de AC tiene una gran carga inductiva (transformador) y el siguiente cambio de fase de suministro de energía no reduce la influencia de la parte inductiva de la carga lo que significa un factor de potencia lejos muy aparte de 1. La legislacion, cuyo objetivo es reducir el consumo innecesario, y la companias electricas demandan que este factor sea uno. Asi, es es necesario incorporar un circuito PFC que permite la corrección de este parámetro. Un típico esquema de desempeño de esta función se muestra en la Figura 3 done un MOSFET bajo carga fuerza el cargado de la inductancia, cuya energía almacenada, una vez que el MOSFET está apagado, se libera al circuito de salida. Cuando el MOSFET está activado es necesario impedir que la carga fluya de la salida del filtro condensador a la MOSFET y es ahí donde el diodo D se utiliza. Cuando el MOSFET está encendido el diodo está apagado y viceversa, pero durante los periodos transitorios de conmutación - cuando el MOSFET pasa a conducción – la corriente inversa del diodo se suma a la corriente de carga de la inducción lo que provoca una sobrecarga de transistor de potencia. Esto obliga a un sobredimensionamiento excesivo del MOSFET, con costes más elevados, y además provoca un aumento de las pérdidas de conmutación que limitan la frecuencia de funcionamiento del circuito, previniendo el uso de componentes más pequeños (inductancia es la prioridad).

 En un circuito PFC de prueba trabajando a una frecuencia de 90 kHz con una tensión constante de entrada de 120 V RMS y una tensión de salida de 370 V DS con MOSFET de 14 A, 500 V de International Rectifier (IRFP450) se pusieron a prueba un diodo super-rápido de PiN de 6 A, 600 V de IR (HFA08TB60) y un SBD SiC de Cree de 4 A, 600 V (CSD04060) bajo condiciones de carga plena y reducido a la mitad la carga relacionada con el cálculo de pérdidas. El resultado de las medidas que se muestra en el gráfico de la Fig. 4 donde la reducción de las pérdidas en 24 y 27% en dos condiciones de carga diferentes es notable.

Cuando el flujo de corriente se detiene en una carga inductiva (y un motor de inducción es, sin duda, una carga inductiva) este trata de invertir la polaridad y aumentar la tensión. Esta tensión inversa también puede llegar a niveles altos, suficientes para dañar el dispositivo de conmutación (IGBT, Tristor, etc.) El diodo de protección normalmente se coloca en paralelo con el elemento de conmutación para permitir el flujo de esta corriente inversa y dispersar los efectos.

Si en el diseno del MOSFET se puede colocar el diodo de proteccion dentro del la estructura del transistor, esto no es posible en el most difundido IGBT, que se utilizan en el inversor para conducir los motores cuando el poder está por encima de un determinado nivel. El diodo de proteccion, por lo general un diodo de silicio rápido montado en paralelo sobre el IGBT dentro del mismo paquete. Si en las dos últimas décadas la solución para diodos de proteccion fue, por cuestiones de disponibilidad y el costo sólo de silicio, con las recientes mejoras en la tecnología para la producción de obleas de 4H-SiC de alta calidad y sin defectos, el uso de diodos de SiC para la fabricacion de IGBT que incluyan diodo de proteccion a base de SiC se puede esperar. También en este caso Cree ha conducido pruebas en un sistema de conducción para los motores de 2,3 kW (3HP), 240 el cual opera a una frecuencia de 16 kHz PWM, y hecho con un IGBT en silicio estándar montado en un paquete TO-220 paquete. Las mismas pruebas fueron realizadas con el equivalente de Cree de 15A, 600V (CID150660), donde diodos de SiC fueron empleados. El gráfico de la Fig. 6 compara las pérdidas en los dos casos en los que se destacan una reducción del 32% de la potencia disipada en la sección de potencia del inversor.