Confrontiamo gli inverter a SiC MOSFET e Si IGBT

I SiC MOSFET sono i componenti del presente e dell’immediato futuro. Consentono di migliorare i dispositivi di potenza, esaltando gli aspetti migliori, come l’efficienza, la leggerezza, il funzionamento a temperature più basse, e così via. Con alcune simulazioni si possono raffrontare i comportamenti statici e dinamici negli inverter, al fine di raccogliere e analizzare i migliori risultati tra i due componenti elettronici di potenza.

I diversi meriti dei SiC MOSFET

Questi nuovi componenti di potenza, in linea generale, superano gli aspetti negativi di quelli precedenti (transistor bipolari, Si MOSFET e IGBT) e mettono a disposizione dei progettisti molte caratteristiche che instaurano, di fatto, la realizzazione di dispositivi a prova di futuro. L’articolo passa in rassegna le più importanti differenze operative tra i due componenti. I nuovi MOSFET al SiC (Carburo di Silicio) permettono il funzionamento di inverter e altri circuiti di commutazione in un regime molto più conveniente.

Si possono evincere facilmente, infatti, miglioramenti nell’aspetto dell’efficienza. Le perdite di potenza sono sostanzialmente ridotte, le densità di potenza sono aumentate e, a parità di potenza, i circuiti sono nettamente più piccole e leggere. Oggi sono sempre più numerose le aziende che si dedicano in toto alla produzione dei nuovi semiconduttori di potenza.

I miglioramenti dell’efficienza (e di conseguenza le riduzioni delle perdite di potenza), attraverso l’adozione di MOSFET a base di carburo di silicio (SiC) realizzano, indirettamente, una piena sostenibilità ambientale per un futuro più pulito e più verde. I successivi esempi mostrano come sia possibile ottenere miglioramenti dell’efficienza con l’utilizzo di MOSFET SiC nelle applicazioni di potenza.

Sostituzione degli IGBT con SiC MOSFET

Molti esperimenti vengono svolti dalle aziende per minimizzare tutte le possibili perdite generate durante il funzionamento degli inverter. A parità di caratteristiche statiche e dinamiche dei componenti di commutazione, una completa sostituzione degli interruttori elettronici garantirebbe un miglioramento totale delle prestazioni del dispositivo, a patto che vengano mantenuti efficienti i criteri di pilotaggio degli stessi (driver).

Modificando l’elemento di commutazione con la sostituzione dell’IGBT con un MOSFET SiC, le perdite per elemento, durante il funzionamento nominale, potrebbero ridursi generalmente anche del 50%. Tali risultati sono possibili, tra gli altri motivi, anche alle capacità di commutazione superiori dei MOSFET SiC. L’adozione dei MOSFET SiC ha diversi vantaggi, oltre alla riduzione delle perdite.

I MOSFET SiC, per esempio, hanno eccellenti caratteristiche di funzionamento in ambienti ad alta temperatura, in pratica essi lavorano egregiamente in condizioni estreme e non risentono dell’effetto valanga.

Per questi motivi i sistemi di dissipazione attivi o passivi (ventole, dissipatori e altro) possono esser ridotti al minimo, avvantaggiando gli aspetti della leggerezza e dell’ingombro dei dispositivi finali. Dal momento che le perdite di commutazione con i MOSFET SiC risultano essere molto basse, è possibile “spingere” gli inverter a lavorare a frequenze maggiori. Questo aspetto migliorerebbe anche altri fattori e renderebbe possibile l’adozione di componenti induttivi e capacitivi dal valore (e dal profilo) più ridotto, non perdendo però d’occhio l’aspetto EMI. Bobine, trasformatori, condensatori e altri elementi reattivi risultano, quindi, meno critici e meno costosi.

I MOSFET SiC, inoltre, eliminano la “corrente di coda” durante la commutazione, con conseguente funzionamento più rapido e maggiore stabilizzazione. Il parametro Rds(on) e, in particolare, la minore resistenza in fase di conduzione (vedi grafico di cui in figura 1) e la dimensione minore del chip determinano, senza dubbio, una capacità e una carica di gate ridotte. Il SiC mostra proprietà del materiale superiori e consente una maggiore miniaturizzazione del pacchetto e risparmi energetici rispetto ai dispositivi al silicio (Si).

Per questi ultimi, purtroppo, con l’aumento della temperatura, la resistenza in fase di ON può anche raddoppiare, innescando il sopracitato effetto valanga. Gli IGBT, da un lato, gestiscono e garantiscono tensioni di funzionamento di 4000 V e correnti superiori a 1000 A, ma dall’altro lato la loro frequenza di commutazione è molto più bassa rispetto a quella dei nuovi componenti. Pertanto tutta la loro robustezza non permette una proporzionale riduzione delle dimensioni e dei pesi.

Figura 1: resistenza generica dei dispositivi in stato di conduzione

Il pilotaggio

I MOSFET di potenza e gli IGBT sono semplicemente interruttori azionati in tensione, perché il terminale “gate” è elettricamente isolato e si comporta come un condensatore. Per accendere il dispositivo occorre applicare una tensione positiva a tale terminale, mentre per spegnerlo occorre commutarlo a 0 V. Il passaggio tra lo stato di ON a quello di OFF (e viceversa) non è istantaneo ma impiega un breve tempo che dipende da diversi fattori. Una delle principali motivazioni è rappresentata dalla capacità di ingresso del gate, equivalente a un condensatore.

La massima potenza dissipata (inutilmente) dal dispositivo si ha proprio in corrispondenza del fronte di salita e di discesa del componente, a cui corrisponde un importante innalzamento di picco della tensione e della corrente. Per ridurre, in modo significativo, la potenza dissipata durante la commutazione dei dispositivi (IGBT e MOSFET SiC) è importante caricare e scaricare il gate con una alta velocità, in modo da abbassare le perdite di commutazione. A questo scopo si possono utilizzare speciali circuiti, i gate driver, che consentono di raggiungere, in uscita, delle correnti elevate e sono specializzati a lavorare ad alte velocità.

Durante il pilotaggio di un dispositivo è particolarmente importante la tensione di Miller, che è la tensione di gate alla quale la corrente di collettore non cambia. Nella maggior parte delle applicazioni questa tensione è compresa tra 4 V e 6 V, e può essere utilizzata per controllare la commutazione attraverso il gate drive. Gli IGBT e i MOSFET, nella fase di conduzione, si comportano allo stesso modo e l’andamento della corrente e della caduta di tensione sono abbastanza simili. Al contrario, nella fase di spegnimento, l’andamento delle correnti è diverso. Gli IGBT sono affetti da una “corrente di coda” (vedi in figura 2) che, invece, nei MOSFET è inesistente.

La coda è causata da portatori di minoranza che mantengono il dispositivo acceso per alcuni istanti. La fase di spegnimento degli IGBT può essere distinta i due fasi successive: nella prima fase, il suo comportamento è simile a quello di un MOSFET. La seconda fase, caratterizzata dalla “coda di corrente”, è specifica per l’IGBT. Essa si verifica mentre c’è la presenza di una tensione importante sul dispositivo, e provoca perdite importanti a ogni spegnimento.

Figura 2: la corrente di coda negli IGBT e nei MOSFET (fonte: ST)

Le perdite sono strettamente legate alla frequenza di commutazione e diventano critiche quando il sistema lavora a regimi molto alti. In questi casi è possibile aumentare il dv/dt diminuendo il valore della resistenza di pilotaggio del gate, consentendo una carica più rapida. Si noti, infatti, che normalmente le perdite di spegnimento sono proporzionali proprio ai valori della resistenza di gate. A ogni modo, nel calcolo generale di un transiente, la potenza media dissipata dal componente, a regime, è abbastanza trascurabile.

Efficienza

I MOSFET SiC, nelle applicazioni statiche o di commutazione, permettono di ottenere sistemi di trasformazione efficienti, grazie alla intrinseca Rds(on) decisamente più bassa di ogni altro componente. Le efficienze superiori al 90% sono, generalmente, considerate come buoni risultati, ma i dispositivi moderni consentono efficienze ancora più elevate. Alte efficienze, infatti, consentono di ottenere minori sprechi di energia, sviluppo di meno calore dei circuiti, un maggiore risparmio di corrente elettrica e allungamento della vita media dei componenti elettronici.

Le aziende di dispositivi di potenza e di inverter investono molto tempo e denaro affinché i propri prodotti possano guadagnare anche qualche decimo di percentuale di efficienza in più. A grandi potenze, un seppur piccolo miglioramento è importante. L’efficienza è calcolata come la potenza di uscita divisa per la potenza di ingresso ed è espressa in percentuale.

La differenza tra la potenza in ingresso e la potenza in uscita costituisce uno spreco e viene persa sotto forma di calore inutilizzato. La figura 3 illustra un semplice schema di principio sul quale viene effettuato, a titolo di esempio, un test dinamico che prevede l’attivazione commutata di un IGBT e di un MOSFET SiC ed è caratterizzato dai seguenti parametri:

  • IGBT implementato: IXYN82N120C3H1;
  • MOSFET SIC implementato: UF3SC065007K4S;
  • VCC: 100 V;
  • carico: 11 Ohm, 900 W;
  • frequenza di commutazione: 100 kHz duty cycle 50%.
Figura 3: test di efficienza con IGBT e MOSFET SiC

Il funzionamento di entrambi i circuiti avviene regolarmente e senza problemi. I carichi sono attivati con una veloce commutazione ultrasonica che attiva una efficiente erogazione di energia sui carichi. Tuttavia, i due funzionamenti sono caratterizzati da piccole differenze dinamiche che prediligono l’utilizzo della soluzione a MOSFET SiC. Il grafico delle correnti, mostrato in figura 4, sembrerebbe assicurare una equa e identica erogazione dell’energia sui carichi. Malgrado ciò, i due dispositivi si comportano in modo leggermente diverso e il seguente elenco raccoglie alcune differenze:

  • la corrente che scorre sul circuito a MOSFET SiC è leggermente maggiore rispetto a quello che utilizza l’IGBT. Ciò è dovuto alla minore resistenza ohmica del canale di transito;
  • la corrente che scorre sul circuito a MOSFET SiC ha un andamento più pulito, in pratica sono visibili solo i fronti di salita e di discesa del segnale. La corrente che scorre sul circuito con IGBT, invece, contiene delle oscillazioni e armoniche superiori, visualizzabili chiaramente con un analizzatore di spettro. Esse causano perdite di potenza;
  • nei fronti di spegnimento del circuito con IGBT si notano delle “correnti di coda” che aumentano, in modo significativo, le perdite importanti a ogni spegnimento.

Infine l’analisi dell’efficienza media a regime dei due circuiti decreta i seguenti risultati:

  • efficienza della soluzione con IGBT: 98.60%;
  • efficienza della soluzione con MOSFET SiC: 99.54%.
Figura 4: i risultati di raffronto tra i due interruttori elettronici

Conclusioni

Con i nuovi dispositivi di potenza, il calcolo delle perdite di potenza è un passo obbligato per la progettazione di circuiti. Le tecniche per migliorare il sistema di commutazione e l’efficienza nei circuiti sono diverse e ogni tipologia di dispositivo di potenza possiede le proprie caratteristiche che i progettisti sono chiamati a esaminare molto attentamente.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.