Un innovador relé d'estat sòlid, fruit de la col·laboració entre empresa i científics

Una col·laboració de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM) del CSIC amb l'empresa BSH ha generat el concepte d'un innovador relé d'estat sòlid per a les cuines d'inducció. Es basa en un dels materials més prometedors per a l'electrònica de potència, el nitrur de gal·li i és un exemple de col•laboració amb l'empresa.

Un prototip de relé d'estat sòlid i la cuina amb la que han fet els experiments al laboratori de l'IMB-CNM.Els sistemes electrònics de potència ens envolten sense que siguem conscients. La missió d'aquests circuits electrònics (denominats també convertidors de potència) és adaptar el format de l'energia elèctrica entre la font primària que la proporciona (una pila, una bateria, un endoll de xarxa, un panell solar, una catenària de ferrocarril...) i la càrrega que la consumeix (un motor elèctric, un llum LED, els processadors d'un ordinador, un calefactor...).

La peça principal d'aquests convertidors són els dispositius semiconductors de potència, que operen com un interruptor, 'encenent' i 'apagant' a freqüències relativament altes. La gran majoria dels dispositius de potència estan fabricats amb silici, el material semiconductor que ha originat la revolució tecnològica de la microelectrònica.

No obstant això, hi ha casos i aplicacions concretes en què no es fan servir aquests dispositius semiconductors de potència sinó el relé electromecànic. Inventat a principis del segle XIX, el relé electromecànic s’ha mantingut pràcticament igual en estructura i funcionament des de fa més de cent anys.

El relé és un interruptor que condueix o bloqueja un corrent elèctric elevada a partir d'una petita senyal de control. Però, a diferència dels dispositius semiconductors, té elements mecànics mòbils que limiten algunes de les seves prestacions. Per exemple, el relé electromecànic és més lent: commuta en desenes de milisegons, mentre que els transistors ho fan en centenars de nanosegons. És a dir, es unes mil vegades més lent.

A més, emet sorolls acústics durant el seu funcionament, el seus contactes mòbils estan sotmesos a desgast mecànic i pot produir un petit arc elèctric que en ambients amb gasos inflamables suposa un risc de deflagració.

Per pal·liar aquestes limitacions, es van desenvolupar fa més de 40 anys els relés d'estat sòlid, que exerceixen les mateixes funcions però en els quals s'ha substituït els contactes metàl•lics mòbils per transistors.

Els relés d'estat sòlid s'han consolidat comercialment com a alternativa al electromecànic, però tenen dos inconvenients clars: un major cost i una menor robustesa. Per això, en la indústria electrònica actual el relé electromecànic continua utilitzant-se massivament sempre que sigui possible. Els problemes sorgeixen quan als convertidors se'ls demanen majors prestacions i funcionalitats que no poden arribar a causa de les limitacions dels relés.

En el cas de l’empresa BSH, es continua utilitzant relés electromecànics per a algunes funcions en les seves cuines d'inducció. L'empresa, que durant 30 anys ha posat a punt la tecnologia més avançada de plaques d'inducció a la seva planta de Montañana (Saragossa), estava interessada a explorar alternatives per evitar el soroll acústic del relé electromecànic, i per augmentar la velocitat de commutació i la fiabilitat.

Durant 18 mesos, científics del Grup de Dispositius i Sistemes de potència de l'IMB-CNM del CSIC han estat col·laborant amb l'empresa. En aquest temps s'han construït més de 20 prototips de relés d'estat sòlid amb altres tants tipus de dispositius semiconductors de potència, per a avaluar el seu potencial.

Durant 18 mesos, científics i empresa han construït i evaluat més de 20 prototips de relés d'estat sòlid i una vintena més de dispositius semiconductors de potència

"Un resultat sorprenent del nostre estudi ha estat detectar mecanismes de fallada descrits per primera vegada en dos tipus de transistors (RC-IGBT i Super-Junction) que semblaven 'a priori' els més interessants, tant per prestacions com per cost", expliquen els científics.

També van avaluar dispositius basats en carbur de silici, un material emergent molt prometedor, que van mostrar unes prestacions excel·lents. La part negativa és que tenen un cost massa elevat. Això podria pal·liar-se en el futur si s'implantessin en aplicacions de gran volum, de manera que una fabricació a gran escala podria comportar una reducció del preu per unitat dels dispositius (per exemple, si s'estengués el seu ús en el vehicle elèctric com està començant a ocórrer).

Un material emergent

Finalment, els científics han assajat diversos models de transistors HEMT (sigles de "high electron mobility transistors") fets de nitrur de gal•li, un altre material emergent en l'àmbit dels dispositius de potència. Aquest material té capacitat per funcionar a altes temperatures i a freqüències elevades, mantenint una alta eficiència.

Els dispositius han mostrat unes prestacions tan bones com les dels dispositius semiconductors de silici amb l’avantatge que són més econòmics. A més, aquests dispositius tenen una altra característica que els fa especialment adequats per implementar relés d'estat sòlid: la seva capacitat d'integració monolítica. Això suposa que diversos dispositius poden combinar-se en el mateix xip per proporcionar la funció d'interruptor bidireccional, el que simplifica la fabricació del component final i augmenta el nivell d'integració.

L'interès d'aquesta solució s'ha materialitzat amb una sol·licitud de patent europea. Els resultats s'han presentat en un congrés internacional i s'han publicat en una revista de referència (IEEE Transactions on Industrial Electronics), i són la base de la tesi doctoral del jove científic que va treballar directament en el projecte.

De fet, expliquen els responsables del projecte, aquest enginyer s'ha incorporat a la plantilla de l'empresa BSH. I afegeixen: "considerem molt positiu aquest tipus de col•laboració entre centres públics de recerca i la indústria ja que contribueix d'una manera molt eficaç a l'enfortiment del teixit industrial, millorant la seva competitivitat, gràcies a la incorporació de científics i tecnòlegs altament qualificats, formats en instal·lacions especialitzades i sota la supervisió de grups d'investigació de prestigi".