La dificultad de aumentar aún más la eficiencia de conversión de energía de los componentes basados ​​en silicio en la electrónica de potencia parece indicar que estamos llegando al límite de los avances potenciales de esta tecnología. Sin embargo, un grupo de investigación encabezado por la Universidad de Tokio recientemente desafió ese punto de vista al desarrollar un dispositivo de conmutación de energía que supera los límites de rendimiento anteriores, ilustrando que la tecnología del silicio aún se puede optimizar aún más. Los investigadores desarrollaron un transistor bipolar de puerta aislada mejorado (IGBT), que es un tipo de interruptor utilizado en la conversión de energía para conmutar altos voltajes de alrededor de 600 a 6500 V.

Para diseñar su IGBT, el equipo utilizó un enfoque de escala. Sus simulaciones de escalado revelaron que reducir parte de un IGBT a un tercio de su tamaño original podría reducir su voltaje de funcionamiento de 15 V a solo 5 V y disminuir sustancialmente su potencia de accionamiento.

"Nuestro enfoque de escalado de IGBT se basó en un concepto similar al utilizado en la microelectrónica tradicional e indicó que un IGBT con un voltaje de funcionamiento de 5 V debería ser factible, "dice Takuya Saraya." Sin embargo, pensamos que un voltaje de conducción de 5 V podría ser demasiado bajo para superar el nivel de ruido inesperado y garantizar un funcionamiento confiable ".

Para verificar sus resultados de simulación, los investigadores fabricaron su IGBT con un voltaje nominal de 3300 V en una sala limpia especializada en la Universidad de Tokio y luego evaluaron su rendimiento. Notablemente, el IGBT logró una conmutación estable a una tensión de funcionamiento de solo 5 V. Esto representa la primera vez que se realiza una conmutación IGBT a 5 V.

Un IGBT que exhibe un rendimiento estable a un voltaje de operación de solo 5 V es extremadamente atractivo porque el consumo de energía del circuito de control es solo alrededor del 10% del de un IGBT convencional que opera a 15 V. La eficiencia de conversión de energía también se mejora a pesar de la reducción voltaje de operación. Un voltaje de funcionamiento tan bajo también es compatible con el procesamiento electrónico estándar, lo que ayudará a la integración de los circuitos de accionamiento IGBT con otros componentes electrónicos.

"Los IGBT son componentes importantes de la electrónica de potencia, "explica Toshiro Hiramoto." Nuestro IGBT miniaturizado podría conducir a un mayor desarrollo de la electrónica de potencia avanzada que es más pequeña y tiene una mayor eficiencia de conversión de energía ".

Los IGBT se encuentran en productos electrónicos que van desde trenes y vehículos eléctricos hasta equipos de sonido y aires acondicionados domésticos. Por lo tanto, el IGBT mejorado con bajo voltaje de conducción y alta eficiencia de conversión de energía promete aumentar el rendimiento de numerosos componentes electrónicos, ayudando a mitigar las crecientes demandas energéticas de la sociedad moderna.