L’efficienza delle Soluzioni SiC per Applicazioni Industriali e Automotive

L’efficienza delle Soluzioni SiC per Applicazioni Industriali e Automotive

WeEn Semiconductors è un’azienda globale che si concentra sullo sviluppo, la produzione e la fornitura di dispositivi di potenza al carburo di silicio (SiC): un materiale semiconduttore a banda larga con prestazioni superiori rispetto ai dispositivi convenzionali a base di silicio. Ciò consente un’efficienza energetica più elevata e una migliore gestione della potenza in una varietà di applicazioni.

Grazie alla minore corrente di dispersione e al maggiore bandgap, un dispositivo può funzionare in un intervallo di temperature più ampio senza rompersi o perdere efficienza. Questo ha ulteriormente rafforzato l’importanza del SiC nel campo dell’elettronica di potenza e ha contribuito a un aumento del suo utilizzo, insieme al fatto che è chimicamente inerte.

I dispositivi di potenza SiC sono ampiamente utilizzati per applicazioni come gli alimentatori, la conversione di potenza dei veicoli elettrici a batteria (BEV) per la ricarica delle batterie e gli azionamenti di trazione, gli azionamenti dei motori industriali e i sistemi di generazione di energia rinnovabile come gli inverter solari ed eolici.

CTA-elettronica-potenza
CTA Ween

Perché SiC?

Sfruttando la propria competenza in dispositivi al SiC e di potenza bipolari, WeEn Semiconductor mira a contribuire allo sviluppo di soluzioni energetiche sostenibili, sistemi di gestione della potenza efficienti e dispositivi elettronici avanzati. Grazie ai vantaggi dei loro materiali, tra cui un bandgap più ampio, una minore densità intrinseca di portatori, una maggiore conducibilità termica e una maggiore velocità di saturazione, i dispositivi di potenza al carburo di silicio (SiC) offrono una serie di vantaggi rispetto al Si.

Tra questi, una minore resistenza specifica all’accensione (RDS(on)) per un dato valore di tensione, un valore di tensione più elevato rispetto a quello disponibile con il Si (ad esempio, fino a 15 kV per i MOSFET SiC, contro i 6,5 kV degli IGBT Si) e capacità molto più basse grazie alle dimensioni ridotte dei package per un dato RDS(on).

La combinazione dei vantaggi delle minori perdite di conduzione e di commutazione, delle frequenze di commutazione più elevate e dei requisiti di raffreddamento più semplici può tradursi in una minore perdita di conversione di potenza, in una maggiore efficienza, in topologie di convertitori più semplici e in un significativo miglioramento dei valori nominali e delle prestazioni alle alte temperature, oltre che in una riduzione delle dimensioni, del peso e dei costi del sistema.

Il SiC può operare a temperature più elevate rispetto al silicio senza perdita significativa di prestazioni. Ciò significa che i dispositivi al SiC possono essere utilizzati in ambienti ad alta temperatura senza compromettere le loro capacità. Inoltre, i dispositivi al SiC possono gestire una maggiore potenza in un package più piccolo rispetto ai dispositivi al silicio. Ciò consente una maggiore densità di potenza e una riduzione delle dimensioni e del peso complessivi del sistema. SiC offre una maggiore resistenza alle scariche elettriche e alle condizioni ambientali avverse rispetto al silicio. Questo si traduce in dispositivi più robusti e affidabili, adatti a una vasta gamma di applicazioni critiche.

Con la commercializzazione e l’evoluzione dei MOSFET SiC a tecnologia planare ci sono state anche delle sfide tecniche e con il corso del tempo anche l’affidabilità del gate-oxide è migliorata in modo significativo. L’ossido di gate e i modi per schermarlo da campi elettrici elevati rimangono un’area di attenzione fondamentale nello sviluppo dei dispositivi. Anche il miglioramento dei test di screening è importante per filtrare i die che possono avere derive parametriche nel tempo.

La densità dei difetti dell’ossido di gate deve essere mantenuta al minimo durante la lavorazione per rendere i MOSFET SiC affidabili. È inoltre necessario creare metodi di screening innovativi per individuare e rimuovere i dispositivi eventualmente corrotti.

I dispositivi SiC trench di prossima generazione di WeEn utilizzeranno una struttura “a trincea” in cui le trincee sono appunto incise nel materiale di carburo di silicio. La regione attiva e il canale del dispositivo si trovano all’interno di questa struttura. L’elettrodo di gate è tipicamente posizionato all’interno della trincea, circondando il canale e fornendo un migliore controllo sulla distribuzione del campo elettrico rispetto ai dispositivi planari.

I dispositivi a trincea offrono vantaggi quali la riduzione della resistenza di accensione e il miglioramento delle prestazioni di commutazione grazie al migliore controllo del gate.

Tecnologia ed Evoluzione del SiC Mosfet
Figura 1: Tecnologia ed Evoluzione del SiC Mosfet (Source: WeEn semiconductors)

MOSFET SiC

I MOSFET SiC hanno trovato uno spazio applicativo ideale nell’inverter di trazione per veicoli elettrici. La loro maggiore frequenza di commutazione, la minore perdita e le migliori prestazioni alle alte temperature si sono tradotte in miglioramenti dell’efficienza e delle dimensioni del sistema di inverter. Il cliente finale può trarre vantaggio da una migliore autonomia di guida per una determinata carica della batteria. Nel 2022, il mercato totale indirizzabile del SiC era di circa 1 miliardo di dollari. Gli analisti prevedono una crescita fino a 5 miliardi di dollari entro il 2028. Il settore degli inverter di bassa e media potenza (<150 kW) è oggi dominato dagli IGBT a Si, ma la situazione sta rapidamente cambiando con l’aumento dell’uso del SiC, soprattutto nel settore >80 kW. Il mercato dei veicoli elettrici, dei SUV e degli autocarri ad alte prestazioni, con potenza superiore a 200 kW, utilizza in genere dispositivi SiC.

I primi MOSFET SiC a tecnologia planare di WeEn Semiconductors hanno una tensione di 1200V e hanno valori di RDSon di 160mΩ, 80mΩ e fino a 12mΩ. I package TO247-3L e TO247-4L sono disponibili, insieme ad altri specifici del settore. Altre soluzioni sono da 650 V e 1700 V.

La capacità di cortocircuito dei MOSFET SiC dipende da Vgs e Vds al momento del cortocircuito. WeEn propone che la capacità di cortocircuito di un MOSFET SiC sia influenzata dai livelli di tensione forniti alla sua tensione gate-to-source (Vgs) e alla tensione drain-to-source (Vds) durante l’evento di cortocircuito. Questi livelli di tensione influenzano il comportamento del MOSFET in caso di cortocircuito. Ridurre Vgs e Vds quindi per aumentare il tempo di resistenza al cortocircuito (SCWT) del MOSFET SiC.

Ciò implica che la riduzione di Vgs e Vds può aumentare il SCWT del MOSFET SiC. L’SCWT è la resistenza al cortocircuito di un MOSFET prima del danneggiamento o del runaway termico. L’SCWT dei MOS di WeEn di seconda generazione raggiunge i 3,5us con spegnimento sicuro e nessuna fuga termica a 18V e 800V. Il MOSFET SiC di seconda generazione di WeEn funziona in questa circostanza. Questo è in grado di tollerare un cortocircuito per 3,5 microsecondi (us) senza runaway termico quando Vgs è 18V e Vds è 800V.

Il MOSFET SiC di WeEn ha un basso Ronsp competitivo (2,6mΩ-cm2) che dimostra i vantaggi della tecnologia. Un basso valore di Ronsp implica una riduzione delle perdite di potenza e una maggiore efficienza nelle applicazioni di commutazione, evidenziando i vantaggi della tecnologia SiC.

Il MOSFET SiC di WeEn utilizza una chiara regola di denominazione per mostrare Rdson alla tensione di pilotaggio del gate di 15V. L’ossido di gate ottimizzato garantisce il normale funzionamento del dispositivo sotto la tensione di pilotaggio di 15 V, rendendone più facile l’adozione in alcuni progetti tradizionali. L’ossido di gate ottimizzato consente ai MOSFET di funzionare in modo affidabile a questa specifica tensione di pilotaggio del gate, facilitandone l’integrazione nei progetti tradizionali esistenti. WeEn ha eseguito il corrispondente test di affidabilità con una gamma di Vgs da 12 a 24 V per garantire la robustezza del gate in ampi scenari di pilotaggio.

Il MOSFET in carburo di silicio a canale N WNSC2M20120B7 ha una bassa resistenza di accensione di 20mohm. Il dispositivo offre velocità di commutazione elevate, consentendo transizioni rapide tra gli stati on e off. Questa caratteristica è vantaggiosa per le applicazioni che richiedono un funzionamento ad alta frequenza. Inoltre, il MOSFET può essere spento con una tensione di gate di 0 V, semplificando il circuito del gate driver e riducendo la complessità del circuito di controllo. Grazie all’elevata efficienza e alle basse perdite di potenza dei MOSFET SiC, è possibile ridurre i requisiti di raffreddamento del sistema, ottenendo soluzioni di raffreddamento più piccole ed economiche.

CTA Ween

Esempi di applicazione

Esempi di applicazioni sono gli alimentatori a commutazione: SMPS. Questi sono utilizzati come alimentatori autonomi in un’ampia gamma di dispositivi elettronici, tra cui computer, televisori, sistemi audio e altro. Convertono in modo efficiente l’alimentazione AC dalla rete elettrica alla tensione DC necessaria per i circuiti elettronici.

  • Gruppi di continuità (UPS): I sistemi UPS utilizzano la tecnologia SMPS per fornire energia di riserva durante le interruzioni o le fluttuazioni di tensione. I gruppi di continuità basati su SMPS offrono una maggiore efficienza, fattori di forma compatti e una migliore gestione dell’energia rispetto ai tradizionali sistemi UPS basati su trasformatori.
  • Inverter di stringa solare e ottimizzatore solare: Negli impianti solari fotovoltaici si utilizzano inverter di stringa e ottimizzatori basati su SMPS. Gli inverter di stringa convertono la corrente continua generata dai pannelli solari in corrente alternata per il collegamento alla rete, mentre gli ottimizzatori migliorano il rendimento energetico monitorando e ottimizzando la produzione di ciascun pannello solare. La tecnologia SMPS garantisce un’elevata efficienza di conversione e consente l’inseguimento del punto di massima potenza (MPPT).
  • Caricabatterie EV: La tecnologia SMPS viene impiegata nei caricabatterie per veicoli elettrici per convertire la corrente alternata dalla rete in corrente continua per caricare la batteria del veicolo elettrico. I caricabatterie basati su SMPS offrono un’elevata efficienza, dimensioni compatte e la capacità di fornire i livelli di potenza richiesti per la ricarica rapida, contribuendo all’adozione dei veicoli elettrici.
  • Azionamenti motore: La tecnologia SMPS è ampiamente utilizzata negli azionamenti per motori per controllare la velocità e la coppia dei motori elettrici. Utilizzando azionamenti per motori basati su SMPS, l’efficienza del controllo del motore può essere notevolmente migliorata, con conseguente risparmio energetico, controllo preciso e migliori prestazioni complessive del motore.
applicazioni per SiC
Figura 2: applicazioni per SiC (Source: WeEn Semiconductors)

WeEn Semiconductor si impegna a fornire ai propri clienti dispositivi di potenza affidabili, di alta qualità ed efficienti. L’azienda si concentra sull’innovazione e sui progressi tecnologici continui per soddisfare le esigenze in evoluzione di molte industrie. La maggiore efficienza e, di conseguenza, la riduzione della temperatura dell’applicazione aumenteranno l’affidabilità del progetto.

CTA-elettronica-potenza
Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio ha conseguito un dottorato di ricerca in fisica ed è ingegnere delle telecomunicazioni. Ha lavorato a vari progetti internazionali nel campo della ricerca sulle onde gravitazionali, progettando un sistema di compensazione termica (TCS) e sistemi di acquisizione e controllo dati, e altri sui microfasci di raggi X in collaborazione con la Columbia University, sistemi ad alta tensione e tecnologie spaziali per comunicazioni e controllo motori con ESA/INFN. Dal 2007 è autore e revisore di pubblicazioni scientifiche per testate come il Microelectronics Journal e le riviste IEEE. Ha collaborato con diverse aziende del settore elettronico, blog e riviste italiane e inglesi, come Electronics World, Elektor, Automazione Industriale, Electronic Design, All About Circuits, Innovation Post e PCB Magazine. Ha partecipato a numerose conferenze come speaker e moderatore per diversi argomenti tecnici. Attualmente è caporedattore di Power Electronics News e EEWeb e corrispondente di EE Times. Gestisce il canale podcast powerup. Da anni collabora attivamente con FARE Elettronica come giornalista tecnico specializzato ed è Direttore Tecnico delle sessioni convegnistiche di Fortronic forte dell’esperienza maturata nell’elettronica di Potenza.