Moduli SiC per il settore industriale

Moduli SiC per il settore industriale

Il carburo di silicio (SiC) sta rivoluzionando il mondo dell’elettronica di potenza, offrendo soluzioni avanzate per un’ampia gamma di applicazioni, dall’automotive alle energie rinnovabili. WeEn Semiconductors, riconoscendo l’importanza crescente di questa tecnologia, si impegna attivamente nello sviluppo e nella produzione di dispositivi SiC, puntando in particolare sul mercato in rapida espansione dei veicoli elettrici (EV).
In questo articolo, esploreremo le potenzialità dei moduli SiC di WeEn Semiconductors, le loro applicazioni chiave e come stanno plasmando il futuro dell’elettronica di potenza nel settore industriale.

Le applicazioni automotive, quali inverter, caricabatterie di bordo e stazioni di ricarica, rappresentano i principali attori nel mercato del SiC. Per ottimizzare l’efficienza nella conversione di potenza, si prevede un crescente ricorso ai dispositivi MOSFET SiC in tali contesti. Le analisi di mercato rivelano infatti che il segmento del SiC è in forte espansione, con una proiezione che lo vede raggiungere i 5 miliardi di dollari entro il 2028. Questa crescita sarà particolarmente marcata nei settori con potenze superiori a 80 kW e nei veicoli elettrici di alta gamma.

WeEn garantisce che i propri impianti per la produzione di moduli soddisfano i requisiti in ambito automotive utilizzando fonderie certificate specifiche per il settore durante la produzione di SiC. Inoltre, per garantire l’affidabilità e le prestazioni del prodotto, l’azienda dispone di un laboratorio di affidabilità e di un centro qualificato di analisi dei guasti interni.

Tuttavia, WeEn Semiconductors non si focalizza solo sull’automotive: l’azienda fornisce anche dispositivi SiC certificati per settori non automotive, come inverter fotovoltaici, alimentatori industriali, sistemi di condizionamento dell’aria e gruppi di continuità (UPS).

Vantaggi dei dispositivi SiC

I dispositivi SiC offrono numerosi vantaggi rispetto al silicio (Si), tra cui la fornitura di un funzionamento a tensione più elevata, intervalli di temperatura più ampi e frequenze di commutazione più elevate rispetto alla tecnologia Si esistente. I vantaggi del SiC includono anche significativi guadagni di efficienza attraverso i progressi della miniaturizzazione, la riduzione dei requisiti di raffreddamento e la riduzione dei costi complessivi del sistema fino al 30% rispetto ai materiali Si.

Comparazione di due PS, uno IGBT e uno al SiC
Comparazione di due PS, uno IGBT e uno al SiC

L’alta tensione di rottura, la bassa RDSON, l’alta conducibilità termica e l’alta Tj(max) permettono a un MOSFET SiC di gestire una corrente e una tensione molto più elevate di un MOSFET Si di dimensioni simili, quindi una densità di potenza maggiore.

Questi vantaggi si traducono in minori perdite di conversione di potenza, maggiore efficienza, topologie di convertitori più semplici e prestazioni migliorate alle alte temperature.

WeEn propone MOSFET SiC con tensioni di 1200V, valori di RDSON competitivi e vari tipi di package. La resistenza di questi MOSFET al cortocircuito dipende da Vgs e Vds. Con l’innovazione dei MOSFET di seconda generazione, si ottiene un tempo di resistenza al cortocircuito di 3,5 microsecondi a 18V e 800V, garantendo affidabilità senza rischi di guasti. Questi MOSFET SiC di WeEn sono particolarmente adatti per inverter in veicoli elettrici, contribuendo a migliorare l’efficienza e l’autonomia del veicolo.

Inoltre, i MOSFET SiC di WeEn utilizzano una chiara denominazione per RDSON a 15V di tensione di pilotaggio del gate; l’ottimizzazione dell’ossido di gate garantisce il normale funzionamento del dispositivo a questa tensione di pilotaggio, facilitandone l’integrazione in progetti tradizionali.

Moduli SiC

Un modulo di potenza al carburo di silicio è un modulo di potenza che utilizza un semiconduttore SiC come switch. I moduli di potenza al carburo di silicio vengono utilizzati per trasformare l’energia elettrica, ottenuta dal prodotto tra corrente e tensione, con un’elevata efficienza di conversione.

Il collegamento in parallelo dei moduli di potenza per supportare livelli di corrente più elevati è un approccio comunemente utilizzato nella pratica, in quanto ogni modulo è ottimizzato per l’effetto delle induttanze e delle capacità parassite e può ottenere una migliore ripetibilità.

L’approccio ottimale alla creazione di architetture di moduli paralleli con dispositivi SiC presenta diverse sfide. A causa della loro capacità di commutazione elevata, il layout del modulo e dei gate driver è di fondamentale importanza per ridurre le capacità parassite e garantire una condivisione uniforme della corrente tra i moduli. In termini di condivisione statica della corrente, la RDSON del dispositivo e le resistenze di connessione del modulo giocano un ruolo fondamentale.

Il coefficiente di temperatura positivo di RDSON nei MOSFET SiC sottoposti a un forte pilotaggio del gate facilita il parallelismo, in quanto le correnti si riequilibrano: il dispositivo che conduce più corrente si riscalda di più e quindi aumenta la sua RDS(on) rispetto al dispositivo più freddo. In questo modo si può evitare il runaway termico. D’altra parte, il coefficiente di temperatura negativo della tensione di soglia (VTH) fa sì che il dispositivo con la temperatura di giunzione più elevata si accenda prima, generando maggiori perdite di commutazione.

Sfide e soluzioni nell’implementazione dei dispositivi SiC

Sfide SiC

A causa delle velocità di commutazione più elevate, i dispositivi SiC sono più sensibili alle induttanze parassite del package. Queste possono risuonare con le capacità del dispositivo, causando interferenze elettromagnetiche indesiderate. Durante i transitori di corrente ad alta velocità (di/dt), si possono creare grandi sovratensioni sul dispositivo, che possono degradare l’affidabilità del dispositivo o causare guasti catastrofici.

I dispositivi in parallelo sono spesso utilizzati per raggiungere i valori nominali di corrente del modulo. Gli squilibri nelle induttanze/capacità parassite o nei parametri statici del dispositivo, come la tensione di soglia, possono provocare overshoots di tensione transitoria variabili tra i die posti in parallelo. I die con overshoots più elevati registreranno maggiori perdite di commutazione e quindi temperature più elevate. Ciò può ridurre la durata del modulo.

Per controllare gli overshoots vengono comunemente aggiunte resistenze di gate esterne, che però aumentano i tempi di commutazione e quindi le perdite. Sono stati proposti schemi di interconnessione senza fili a bassa induttanza, ad esempio con piastre parallele interconnesse a montanti metallici. Per attenuare l’impatto dell’induttanza parassita si possono utilizzare condensatori di disaccoppiamento. Un approccio prevede che i condensatori siano posizionati sopra il dispositivo di potenza, creando un loop di potenza verticale che mantiene inalterato l’ingombro orizzontale del modulo.

Capacità parassite e scariche parziali

I moduli di potenza tradizionali includono una capacità parassita tra il substrato ceramico isolante (come il rame a legame diretto, o DBC) e il dissipatore di calore, che generalmente si trova al potenziale di terra. In caso di transitori di tensione (dV/dt) più elevati, questa capacità diventa un percorso per la corrente di modo comune (CM) che passa attraverso la terra del sistema. Filtri e induttanze possono attenuare questo fenomeno, ma aggiungono costi e complessità. Con l’uso di substrati ceramici multistrato è possibile aggiungere uno strato di schermo, che riporta la corrente di CM al die riducendo al contempo il rumore ad alta frequenza.

L’elevato campo elettrico creato in questi dispositivi HV può superare la resistenza alla rottura dei materiali dielettrici del package. Ciò può creare scariche parziali (PD), che possono danneggiare il substrato ceramico isolante. La riduzione del campo elettrico, e quindi l’aumento della tensione di innesco della PD (PDIV), in prossimità del substrato isolante è fondamentale, poiché è proprio qui che si verifica la PD.

Dati di riferimento del modulo MOSFET al carburo di silicio a canale N WMSC020H12B1P (Fonte: WeEn)
Figura 1: Dati di riferimento del modulo MOSFET al carburo di silicio a canale N WMSC020H12B1P (Fonte: WeEn)

Vantaggi dei moduli SiC

  • Maggiore efficienza: una delle caratteristiche principali dei moduli SiC è la loro superiore efficienza energetica. I semiconduttori SiC possono funzionare a temperature e tensioni più elevate rispetto ai componenti tradizionali a base di silicio, con conseguenti minori perdite di conduzione e commutazione. Questo miglioramento dell’efficienza si traduce in una minore dissipazione di potenza e, di conseguenza, in un maggiore risparmio energetico;
  • Dimensioni e peso ridotti: i moduli SiC offrono una maggiore densità di potenza grazie alle loro migliori prestazioni termiche. Ciò consente ai progettisti di realizzare sistemi elettronici di potenza più compatti e leggeri, rendendoli ideali per applicazioni con limiti di spazio come i veicoli elettrici e gli inverter per le energie rinnovabili;
  • Velocità di commutazione più elevate: i semiconduttori SiC possono accendersi e spegnersi molto più rapidamente dei dispositivi al silicio, consentendo un funzionamento a frequenza più elevata e un controllo più stretto dei sistemi elettronici di potenza. Questa caratteristica migliora le prestazioni complessive e la reattività dei dispositivi elettronici;
  • Maggiore affidabilità: la tolleranza alle alte temperature e la resistenza alle condizioni ambientali difficili rendono i moduli SiC eccezionalmente affidabili, garantendo prestazioni costanti per lunghi periodi.

Applicazioni dei moduli SiC

I moduli al carburo di silicio (SiC) sono emersi come una tecnologia innovativa in diversi settori, rivoluzionando il panorama in diverse aree chiave. Nel settore dei veicoli elettrici (EV), i moduli SiC rappresentano una svolta, in quanto apportano notevoli miglioramenti in termini di efficienza, riducendo al contempo dimensioni e peso. Ciò si traduce in una maggiore autonomia di guida e in tempi di ricarica più rapidi per i veicoli elettrici, migliorandone le prestazioni complessive.

Inoltre, l’elettronica di potenza basata su SiC consente ai veicoli elettrici di ottenere una maggiore accelerazione e di ottimizzare l’efficienza della frenata rigenerativa, consolidando ulteriormente la loro posizione come futuro del trasporto sostenibile. Oltre ai veicoli elettrici, i moduli SiC svolgono un ruolo fondamentale nei sistemi di energia rinnovabile, aumentando significativamente l’efficienza degli inverter solari, dei convertitori delle turbine eoliche e dei sistemi di stoccaggio dell’energia.

La loro elevata efficienza garantisce la conversione in elettricità utilizzabile di una quota maggiore di energia ricavata da fonti rinnovabili, riducendo i costi del sistema e favorendo la transizione verso l’energia pulita. In ambito industriale, i moduli SiC trovano applicazione negli alimentatori ad alta frequenza, negli azionamenti dei motori e nelle apparecchiature di saldatura, grazie alle loro velocità di commutazione più elevate e alla loro robustezza, che li rendono ideali per gli ambienti di produzione più esigenti. Inoltre, i moduli SiC stanno facendo breccia nei settori aerospaziale e della difesa, dove affidabilità, dimensioni e peso sono fondamentali. Questi moduli sono impiegati nei convertitori di potenza, nei sistemi radar e nei sistemi di propulsione elettrica per droni e aerei, inaugurando una nuova era di innovazione in questi settori critici.

Il modulo WeEn

Il WMSC020H12B1P è un modulo che incorpora un MOSFET a canale N in carburo di silicio (SiC).

Nel complesso, questo modulo sembra essere progettato per applicazioni che richiedono alta efficienza, basse perdite e commutazione di potenza affidabile, tipiche di settori quali l’elettronica di potenza, il controllo dei motori, i sistemi di energia rinnovabile e altri ancora. La combinazione della tecnologia del carburo di silicio e della configurazione a mezzo ponte lo rende adatto ad applicazioni di conversione di potenza ad alte prestazioni.

Alcune importanti soluzioni tecnologiche utilizzate in questo modulo sono le seguenti:

  • Tecnologia: il modulo utilizza la tecnologia dei pin PressFit. La tecnologia PressFit è un metodo di connessione senza saldature in cui i pin vengono premuti in un foro passante placcato sul PCB (Printed Circuit Board), fornendo una connessione affidabile e a tenuta di gas;
  • Tipo di MOSFET: il modulo integra un MOSFET SiC WeEn 1200V Gen2. I MOSFET al carburo di silicio sono noti per la loro tolleranza alle alte temperature, le basse perdite di commutazione e le capacità di funzionamento ad alta frequenza.
  • Topologia: il modulo è configurato con una topologia half-bridge, in cui due transistor di potenza (di solito, un high side e un low side) sono utilizzati per controllare il flusso di potenza verso il carico. Questa configurazione è comunemente utilizzata nelle applicazioni di elettronica di potenza.
Schema del modulo MOSFET a canale N in carburo di silicio WMSC020H12B1P (Fonte: WeEn)
Figura 2: Schema del modulo MOSFET a canale N in carburo di silicio WMSC020H12B1P (Fonte: WeEn)

Caratteristiche del modulo WMSC020H12B1P

Le principali caratteristiche tecniche del modulo sono le seguenti:

  • Basso valore di RDS(on): Il modulo offre una bassa resistenza nello stato on, RDS(on), per un’erogazione più efficiente della potenza;
  • Basse perdite di commutazione: i MOSFET SiC presentano generalmente perdite di commutazione inferiori rispetto ai tradizionali MOSFET al silicio, rendendoli adatti ad applicazioni di commutazione ad alta frequenza;
  • Bassi valori di Qg e Crss: la bassa carica di gate (Qg) e la capacità di trasferimento inversa (Crss) sono caratteristiche desiderabili nei MOSFET di potenza, in quanto contribuiscono a ridurre le perdite di commutazione e a migliorare l’efficienza;
  • Design a bassa induttanza: un design a bassa induttanza contribuisce a ridurre i picchi di tensione e le interferenze elettromagnetiche nel circuito;
  • Inverter ausiliari: questo modulo può essere utilizzato nei circuiti inverter ausiliari, comunemente presenti in varie applicazioni di elettronica di potenza;
  • Convertitore CC/CC: il modulo può essere utilizzato anche nelle applicazioni con convertitori CC/CC, dove può commutare e regolare in modo efficiente i livelli di tensione continua (CC).
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.