Actúa localmente: convertidores de potencia basados en carburo de silicio

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Foto: Possessed Photography / Unsplash

Durante la segunda mitad del siglo XX se pusieron los cimientos de lo que Ignacio Mártil denominó “la mayor revolución silenciosa del siglo XX” [1], la microelectrónica. En los primeros años del siglo XXI la abundancia de materia prima y la madurez tecnológica de la microelectrónica basada en el silicio dio lugar a la revolución social que vivimos hoy día, en la que las redes sociales, el teletrabajo y el acceso a la información a cualquier hora y localización solo es posible por la existencia de dispositivos de una eficiencia y prestaciones inimaginables hace solo algo más de una década (el primer iPhone se lanzó al mercado en enero de 2007).

Sin embargo, la tecnología basada en el silicio está a punto de alcanzar su límite físico. De hecho, industrialmente, de unos años a esta parte los desarrollos se basan en aumentar el tamaño de la oblea, la placa sobre la que se construyen los microcircuitos. Sorprendentemente, desde el 2005 un incremento en el número de transistores no se ha traducido en un aumento de la rapidez: la velocidad de los circuitos integrados está estancada en un máximo de 5 gigahertz [2] desde entonces.

La industria, recientemente, ha cambiado la estrategia que se venía siguiendo desde la aparición de los circuitos integrados. Tradicionalmente primero se diseñaba el chip y luego se le encontraba aplicación; ahora se están llevando a cabo proyectos de investigación y desarrollo para los que se diseñan los circuitos integrados más apropiados. Este diseño incluye también la posibilidad de usar materiales distintos del silicio.

Un caso particular de especial interés para el futuro inmediato es el de los dispositivos de potencia. Son esos dispositivos que se van a encargar de controlar cosas como la siguiente generación de paneles solares, aerogeneradores o vehículos eléctricos. Tienen que ser dispositivos baratos, producibles de forma eficiente y capaces de soportar condiciones de trabajo mucho más extremas de las que se supone que ha de soportar un teléfono móvil o un ordenador. El principal requisito que deben cumplir estos circuitos integrados es que deben ser capaces de funcionar establemente en un rango de temperaturas muy amplio. Aquí es donde entra el carburo de silicio (SiC), un semiconductor compuesto.

Obleas de carburo de silicio industriales comercializadas actualmente. Fuente: II-VI

En comparación con el silicio los dispositivos de potencia de SiC son más eficientes en conversión de energía. Los interruptores de SiC operan a mayor frecuencia, lo que permite reducir el tamaño del interruptor o eliminar los componentes inductivos y los supresores (snubbers). Esto da como resultado una reducción en el tamaño y el peso general del sistema; el menor coste resultante debería compensar el costo adicional de usar dispositivos de SiC en lugar de silicio.

La lista creciente de aplicaciones comerciales actuales y proyectadas que utilizan tecnologías de SiC incluye fuentes de alimentación conmutadas, inversores para generación de energía solar y de molinos de viento, motores industriales, vehículos híbridos y eléctricos, y conmutación de energía de redes inteligentes.

Europa en la actualidad va por detrás de Asia y América en el desarrollo de esta tecnología clave para el ahorro de energía y la reducción de emisiones de dióxido de carbono, objetivos ambos que pasan por la movilidad eléctrica y la eficiencia energética industrial. Uno de los proyectos que financia la Unión Europea para salvar esta brecha tecnológica es REACTION.

El proyecto REACTION, en el que participan una veintena de instituciones y tiene un presupuesto cercano a los 50 millones de euros, pretende desarrollar la primera línea piloto de Europa y el mundo para la fabricación de obleas de carburo de silicio para tecnologías energéticas. Estas obleas serán de 8 pulgadas de tamaño, cuando el estándar actual está entre 4 y 6, lo que supone de facto un reordenamiento del mercado.

Una cooperativa vasca, Ikerlan, tendrá un papel clave en este desarrollo. Aparte de diseñar un inversor fotovoltaico para aplicación de media tensión basado en SiC y un convertidor DC/DC para conectar el inversor a un sistema de almacenamiento de energía, será en Mondragón (Gipuzkoa) donde se realicen los ensayos de todos los prototipos de convertidores de potencia desarrollados por el proyecto en la etapa final del mismo.

Notas:

[1] Ignacio Mártil (2018) Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX. Ediciones Complutense. Librito de lectura muy recomendada.

[2] Mártil (2018). Pág. 118.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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