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Proyectos europeos

Paso a la tecnología del carburo de silicio

Transporte, energías renovables, aeronáutica, industria... Todos los sectores necesitan regular el flujo de energía eléctrica. Los sistemas electrónicos de potencia se encargan de ello gracias a la conmutación de semiconductores de potencia basada en la tecnología del silicio. Mueven un mercado de más de 3.000 millones de euros. A través del desarrollo de la tecnología del carburo de silicio, el proyecto Reaction se propone mejorar en eficiencia, densidad de energía y costes.

Miguel García-Gracia 05/03/2018 a las 05:00
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Banco de pruebas de sistemas de potencia para la conversión de energíaUnizar

La tecnología de silicio es actualmente la base de los dispositivos electrónicos de potencia. Se trata de una tecnología madura y próxima a sus límites teóricos. Como alternativa más firme están los materiales semiconductores de banda ancha, y muy en particular el carburo de silicio (SiC), que ya ha empezado a tener una cierta presencia en el mercado a través de los diodos de SiC. Sin embargo, para el resto de dispositivos todavía está considerada como una prometedora alternativa tecnológica.

La principal razón por las que el carburo de silicio puede ser la tecnología dominante en un futuro inmediato se encuentra en sus excepcionales propiedades eléctricas, en comparación con las del silicio: mayor tensión de ruptura, menor resistencia al paso de la corriente, mayor velocidad de saturación de los electrones, mayor capacidad de disipación del calor.

En general, en electrónica de potencia, cuanto mayor es la frecuencia de conmutación del dispositivo, mayores son las pérdidas. En este sentido, las propiedades del SiC permitirán trabajar con frecuencias más elevadas por las menores pérdidas que ocurren en la conmutación de los dispositivos de SiC, reduciendo en consecuencia el tamaño de las bobinas y condensadores utilizados.

Asimismo, la mayor capacidad del carburo de silicio para trabajar con temperaturas más elevadas posibilita la reducción del tamaño del radiador de forma igualmente significativa. Esta serie de ventajas se traduce en sistemas energéticos más eficientes y con una densidad de energía por unidad de volumen mucho mayor.

El proyecto Reaction pretende reducir los costes de fabricación en más de un 25 % y que la tecnología del carburo de silicio reemplace definitivamente a la del silicio.

¿Cómo afecta a la sociedad?

El crecimiento de las energías alternativas exige la reducción del coste de su producción por debajo de las energías fósiles. En este proceso, los convertidores de energía eléctrica son clave. Por ello, hacer viable la tecnología del carburo de silicio significa mejorar la eficiencia del proceso, la disminución en peso y volumen de los equipos requeridos, en definitiva, el abaratamiento de su coste de producción. Por tanto, la tecnología SiC favorecerá la autoproducción y la reducción del consumo eléctrico a través de la mejora de la eficiencia.

En el caso del vehículo eléctrico, esta mayor eficiencia y densidad energética se traduce en mayor autonomía del mismo.

¿Cuáles son los retos de la tecnología SiC?

El primer gran reto es el desarrollo de la primera línea piloto, a nivel mundial, para la fabricación de obleas de carburo de silicio (SiC) de mayor tamaño (8 pulgadas), igualando a las actuales de silicio (Si). De las obleas se obtienen los sustratos con los que se fabrican los circuitos integrados, con lo cual, al aumentar el tamaño de la oblea, el número de circuitos que se obtienen es mayor con un coste de oblea similar, por lo que el coste por circuito resulta comparable al obtenido con silicio.

La calidad de las obleas es otro desafío clave del proyecto Reaction y está estrictamente relacionado con la densidad de defectos de las obleas de carburo de silicio de 8”. Estos defectos limitan el rendimiento del dispositivo aplicando la tecnología actual de oblea de 6”, por lo que el reto es mantener, al menos, la misma calidad.

Otro gran reto de la tecnología SiC es desarrollar nuevas técnicas de diseño. El desarrollo de sistemas SiC con altas densidades de energía requiere trabajar a frecuencias de conmutación elevadas. Esto da lugar a la aparición de grandes variaciones de tensión respecto al tiempo y de perturbaciones de alta frecuencia, provocando interferencias electromagnéticas, pérdidas energéticas no controladas en los semiconductores e incluso la destrucción de estos. Se hace necesario reducir dichas perturbaciones hasta niveles admisibles a través de nuevas técnicas de diseño.

¿Qué aporta la tecnología SiC?

En sistemas electrónicos de potencia para la conversión de energía, cuando se opera en el rango de bajas frecuencias, la eficiencia del silicio y del carburo de silicio son comparables. Sin embargo, cuando se aumenta la frecuencia de operación (objetivo esencial para obtener elevadas densidades energéticas) la eficiencia del silicio se desploma en comparación con el carburo de silicio.

Con el proyecto Reaction, la tecnología de carburo de silicio permitirá:

  • reducir las pérdidas en el proceso de conversión de la energía entre un 70% y 80% en comparación con las que se obtienen con el silicio; las pérdidas de conducción se pretenden reducir en un 50% y las de conmutación en un 30%
  • incrementar la densidad de potencia (W/m2) hasta en 10 veces
  • y alcanzar temperaturas de operación de más de 200°C, lo que significa una importante disminución de los sistemas de refrigeración.
El proyecto
  • NOMBRE Reaction.
  • OBJETIVO El desarrollo de sistemas energéticos basados en tecnología SiC de última generación para su aplicación en convertidores para vehículos eléctricos, módulos de carga de baterías de coches, minirredes híbridas domésticas e industriales.
  • SOCIOS 27 socios El Grupo de Investigación en Integración de Energías Renovables del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Zaragoza, junto con la empresa aragonesa de base tecnológica 4fores, forman parte del consorcio.
  • FINANCIACIÓN 48,6 millones de euros de la iniciativa Tecnológica Conjunta Ecsel del programa H2020.
  • DURACIÓN 42 meses, de 2018 a 2022.

Miguel García-Gracia Investigador Principal del Grupo de Investigación en Integración de Energías Renovables. Departamento de Ingeniería Eléctrica. Universidad de Zaragoza

Con la colaboración de la Unidad de Cultura Científica de la Universidad de Zaragoza

 

 

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