Un innovador relé de estado sólido, fruto de la colaboración entre científicos y empresa

Una colaboración del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC con la empresa BSH ha generado el concepto de un innovador relé de estado sólido para las cocinas de inducción. Se basa en uno de los materiales más prometedores para la electrónica de potencia, el nitruro de galio y es un ejemplo de colaboración con la empresa.

EL prototipo de relé de estado sólido desarrollado, frente a la placa de inducción que utilizaban para realizar laws pruebas en el laboratorio. Foto: IMB-CNM. Los sistemas electrónicos de potencia nos rodean sin que seamos conscientes de ello. La misión de estos circuitos electrónicos (denominados también convertidores de potencia) es adaptar el formato de la energía eléctrica entre la fuente primaria que la proporciona (una pila, una batería, un enchufe de red, un panel solar, una catenaria de ferrocarril...) y la carga que la consume (un motor eléctrico, una lámpara LED, los procesadores de un ordenador, un calefactor...).

La pieza principal de estos convertidores son los dispositivos semiconductores de potencia, que operan como un interruptor ('encendiéndose’ y ‘apagándose’) a frecuencias relativamente altas. La gran mayoría de los dispositivos de potencia están fabricados con silicio, el material semiconductor que ha originado la revolución tecnológica de la microelectrónica.

Sin embargo, hay casos y aplicaciones concretas en los que no se usan estos dispositivos semiconductores de potencia sino el relé electromecánico. Inventado a principios del siglo XIX, apenas ha cambiado en su estructura y funcionamiento.

El relé es un interruptor que conduce o bloquea una corriente eléctrica elevada a partir de una débil señal de control. Pero a diferencia de los dispositivos semiconductores, tiene elementos mecánicos móviles que limitan algunas de sus prestaciones. Por ejemplo, el relé electromecánico es más lento: conmuta en decenas de milisegundos, mientras que los transistores lo hacen en centenares de nanosegundos. Es decir, es unas mil veces más lento.

Además, emite ruidos acústicos el proceso, sus contactos móviles están sometidos a desgaste mecánico y puede producir un pequeño arco eléctrico que en ambientes con gases inflamables supone un  riesgo de deflagración.

Para paliar estas limitaciones, se desarrollaron hace más de 40 años los relés de estado sólido, que desempeñan las mismas funciones pero en los que se ha sustituido los contactos metálicos móviles por transistores.

Los relés de estado sólido se han consolidado comercialmente como alternativa al electromecánico, pero tienen dos inconvenientes claros: un mayor coste y una menor robustez. Por eso, en la industria electrónica actual el relé electromecánico continúa utilizándose masivamente siempre que sea posible. Los problemas surgen cuando a los convertidores se les demandan mayores prestaciones y funcionalidades que no pueden alcanzar debido a las limitaciones de los relés.

En el caso de BSH, se continúa usando relés electromecánicos para algunas funciones en sus cocinas de inducción. La empresa, que durante 30 años ha puesto a punto la tecnología más avanzada de placas de inducción en su planta de Montañana (Zaragoza), estaba interesada en explorar alternativas para evitar el ruido acústico del relé electromecánico, para aumentar la velocidad de de conmutación y la fiabilidad.

Durante 18 meses, científicos del Grupo de Dispositivos y Sistemas de potencia del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC han estado colaborando con la empresa. En ese tiempo se han construido más de 20 prototipos de relés de estado sólido con otros tantos tipos de dispositivos semiconductores de potencia, para evaluar su potencial.

Durante 18 meses, científicos y empresa han evaluado más de 20 prototipos de relés de estado sólido y otros tantos de dispositivos semiconductores de potencia

“Un resultado sorprendente de nuestro estudio ha sido detectar mecanismos de fallo descritos por primera vez en dos tipos de transistores (RC-IGBT y Super-Junction) que parecían ‘a priori’ los más interesantes, tanto por prestaciones como por coste”, explican los científicos.

También evaluaron dispositivos basados en carburo de silicio, un material emergente muy prometedor, que mostraron unas prestaciones sobresalientes. La parte negativa es que tienen un coste demasiado elevado. Eso podría paliarse en el futuro si se implantaran en aplicaciones de gran volumen, de forma que una fabricación a gran escala podría conllevar una reducción del precio por unidad de los dispositivos (por ejemplo, si se extendiera su uso en el vehículo eléctrico como está empezando a ocurrir).

Un material emergente

Finalmente, los científicos han ensayado varios modelos de transistores HEMT (siglas de “high electron mobility transistors”) hechos de nitruro de galio, otro material emergente en el ámbito de los dispositivos de potencia. Este material tiene capacidad para funcionar a altas temperaturas y a frecuencias elevadas, manteniendo una alta eficiencia.

Los dispositivos han mostrado unas prestaciones tan buenas como las de los dispositivos semiconductores de silicio pero a un menor coste. Además, estos dispositivos tienen otra característica que los hace especialmente adecuados para implementar relés de estado sólido: su capacidad de integración  monolítica. Eso supone que varios dispositivos pueden combinarse en el mismo chip para proporcionar la función de interruptor bidireccional, lo que simplifica la fabricación del componente final y aumenta el nivel de integración.

El interés de esta solución se ha materializado con una solicitud de patente europea. Los resultados se han presentado en un congreso internacional y se han publicado en una revista de referencia (IEEE Transactions on Industrial Electronics), y son la base de la tesis doctoral del joven científico que trabajó directamente en el proyecto.

De hecho, explican los responsables del proyecto, tras finalizar la tesis, este ingeniero se ha incorporado a la plantilla de la empresa BSH. Y añaden: “consideramos muy positivo este tipo de colaboración entre centros públicos de investigación y la industria ya que contribuye de un modo muy eficaz al fortalecimiento del tejido industrial, mejorando su competitividad, gracias a la incorporación de científicos y tecnólogos altamente cualificados, formados en instalaciones especializadas y bajo la supervisión de grupos de investigación de prestigio”.

 

 

Una colaboración del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC con la empresa BSH ha generado el concepto de un innovador relé de estado sólido para las cocinas de inducción. Se basa en uno de los materiales más prometedores para la electrónica de potencia, el nitruro de galio y es un ejemplo de colaboración con la empresa.