Componenti altamente performanti integrati da soluzioni a livello di sistema
C. Felgemacher, F. Filsecker, V. Thayumanasamy, C. Fuentes
M. Murata, M. Terada, S. Kitagawa, A. Mashaly
Introduzione
Nel 2010 ROHM ha lanciato sul mercato dei semiconduttori di potenza i primi MOSFET al carburo di silicio (SiC) commerciali, e da quel momento ne ha costantemente perfezionato lo sviluppo. Il MOSFET SiC si è ora saldamente affermato come il transistor SiC più ampiamente diffuso per il range di tensione compreso tra 650 V e 1700 V.
Nel 2015 ROHM ha introdotto i primi MOSFET SiC commerciali del tipo trench ed ora l’azienda è pronta a lanciare sul mercato una nuova generazione di MOSFET SiC basati su questa tecnologia. Questo articolo illustra i vantaggi in termini di prestazioni di tale nuova generazione, presentando un gran numero di strumenti di supporto che hanno il compito di affiancare gli sviluppatori di convertitori elettronici di potenza nella realizzazione di convertitori sempre più efficienti, più robusti e convenienti ricorrendo ai MOSFET SiC di ROHM.
Gli importanti vantaggi offerti dai MOSFET SiC di ROHM di quarta generazione
Uno dei parametri chiave per lo sviluppo della quarta generazione di MOSFET SiC è consistito nella riduzione della resistenza per area specifica dei componenti.
L’Immagine 1 mostra il confronto tra le resistenze di ON per area specifica delle tre generazioni di MOSFET SiC commerciali di ROHM:
Immagine 1: miglioramento della resistenza RDS(on)∙A per le diverse generazioni di MOSFET SiC di ROHM
Inoltre, la quarta generazione di MOSFET SiC presenta un andamento molto più piatto della RDS(ON) rispetto alla tensione di gate VGS nel range compreso tra +15 V e +18 V. Quindi l’accensione del componente avviene sia a +15 V che a +18 V.
Oltre ai miglioramenti in RDS(on) e quindi a una riduzione delle perdite di conduzione per i dispositivi con la stessa area del chip, la 4a generazione offre anche prestazioni di commutazione migliorate.
Per illustrare questo miglioramento, i valori dell’energia di commutazione totale per due MOSFET SiC da 1200 V nel package TO-247-4L con RDS(on) comparabile a 25°C sono mostrati nella Figura 2. Nelle configurazioni di gate drive selezionate il di/ dt all’accensione e allo spegnimento era comparabile per entrambi i componenti. I risultati mostrano che la 4a generazione offre una riduzione delle perdite di commutazione fino al 45%.
Immagine 2: perdite di commutazione a confronto per MOSFET SiC da 1200 V nel package TO-247-4L (III rispetto a IV generazione)
I rapporti tra le capacità dei MOSFET SiC di quarta generazione sono stati ottimizzati per ridurre al minimo gli effetti indesiderati. In particolare preme sottolineare che il rapporto tra capacità gate-source CGS e capacità gate-drain CGD, ora è molto maggiore.
Di conseguenza anche transitori di tensione molto rapidi (dVDS/dt), che agiscono sul MOSFET SiC durante le commutazioni di un dispositivo in una configurazione a semiponte, influiscono in maniera assai circoscritta sulla tensione di gate VGS. In tal modo si riduce la probabilità di un’accensione parassita del MOSFET SiC imputabile a picchi positivi VGS, portando al minimo anche l’insorgenza di svantaggiosi picchi di tensione negativi al gate.
Pertanto, la futura quarta generazione di MOSFET SiC di ROHM offre agli utilizzatori migliori prestazioni, semplificandone al contempo l’utilizzo. I componenti saranno disponibili sia come chip per l’impiego nei moduli semiconduttori di potenza che anche in package tipo TO-247, TO-247-4L e TO-263-7L, con classi di tensione da 750 V e da 1200 V.
L’offerta di strumenti di supporto di ROHM
Ad integrazione della gamma di semiconduttori di potenza, ROHM offre una serie di strumenti miranti ad affiancare in modo ottimale gli sviluppatori nel loro compito di realizzare convertitori elettronici di potenza efficienti, robusti e convenienti. Fra questi si ricordano vari sistemi di simulazione e kit di valutazione focalizzati su componenti o topologie di applicazione, oltre a informazioni tecniche, in grado di supportare le attività di sviluppo.
Strumenti di simulazione
Come in molti altri settori di sviluppo, le simulazioni costituiscono un vantaggioso ausilio per l’evoluzione dei sistemi dell’elettronica di potenza. ROHM offre vari strumenti di simulazione, integrabili nelle diverse fasi di sviluppo. L’insieme di questi strumenti di simulazione è sintetizzato nell’Immagine 3.
Immagine 3: strumenti di simulazione di ROHM
Per l’esecuzione di simulazioni sono stati approntati modelli SPICE finalizzati ad analizzare i fenomeni di commutazione o a tenere conto degli effetti di elementi parassiti nel contesto dei semiconduttori di potenza.
Si tratta di modelli disponibili sia per i semiconduttori di potenza che per i prodotti IC, per cui consentono la simulazione dell’interazione di componenti come gate driver e semiconduttori di potenza. In più è possibile scaricare dal sito web di ROHM facili esempi di circuiti basati su SiMetrix. Si può contare anche su un’ampia gamma di modelli PLECS.
ROHM offre inoltre il ROHM Solution Simulator, ossia il simulatore di soluzioni integrate ROHM, che consiste in un ambiente di simulazione fruibile nel sito web di ROHM [1]. Il ROHM Solution Simulator rende disponibili simulazioni di circuiti elettronici di potenza con i prodotti ROHM e mette i clienti nelle condizioni di eseguire simulazioni con la semplice selezione di alcuni parametri operativi.
Sono presenti circuiti di simulazione che contengono semiconduttori di potenza quali MOSFET SiC, circuiti integrati di alimentazione oppure regolatori switching.
Oltre a questo, il ROHM Solution Simulator riproduce i progetti di riferimento e gli stadi di potenza dei kit di valutazione. In questo contesto lo stadio di potenza consiste di semiconduttori di potenza, circuiti di gate driver e soppressori. Le simulazioni sono ottimizzate per riprodurre nel modo più accurato possibile il comportamento dell’hardware effettivo, in particolare dei processi di commutazione dei semiconduttori di potenza.
Fra l’altro il comportamento di commutazione dipende dalle induttanze parassite, dal cablaggio del sistema di comando del gate e da altre proprietà fisiche attinenti al design della scheda. Per migliorare la precisione della simulazione sono state condotte analisi elettromagnetiche sul campo, volte a estrarre i valori degli elementi parassiti per tenerne conto in fase di simulazione.
Kit di valutazione per semiconduttori di potenza
Kit di valutazione in configurazioni a semiponte
Per consentire ai clienti la valutazione dei MOSFET SiC di ROHM di quarta generazione nei package SMD (TO-263-7L), ROHM propone una scheda di valutazione semplice e user-friendly. Le prestazioni dei MOSFET SiC e l’interazione con il circuito integrato del gate driver isolato di ROHM – modello BM61M41RFV-C – possono essere analizzate usando questa scheda.
Nel circuito integrato del gate driver isolato il driver è monocanale, con un isolamento di 3,75 kVrms e funzione Active Miller Clamping integrata. Anche altre funzioni necessarie, come l’alimentazione isolata sul lato secondario dei gate driver e un regolatore di tensione per l’alimentazione a 5 V dei lati primari dei gate driver sono integrate nella scheda. Con un impegno minimo è possibile configurare tensioni di ON di 15 V o di 18 V nonché tensioni di OFF di 0 V, -2 V oppure -4 V.
Immagine 4: scheda di valutazione in configurazioni a semiponte di componenti per TO-263-7L
È possibile analizzare individualmente i MOSFET SiC mediante test a doppio impulso. Semplici test di funzionamento continuo in topologie come buck/boost sincrono, buck/boost asincrono e modalità inverter possono essere eseguite a bassa corrente/potenza. Per funzionare in modo continuo a una potenza maggiore, l’utente può aggiungere un dissipatore di calore nella parte inferiore del PCB.
Il kit di valutazione presentato fornisce una piattaforma per l’analisi del comportamento di componenti come i MOSFET SiC di quarta generazione di ROHM in condizioni operative e configurazioni del circuito di comando variabili. Gli ulteriori componenti del circuito implementati, come l’alimentazione isolata, possono servire all’utilizzatore da punto di partenza per i propri sviluppi. Per tale motivo il presente kit di valutazione contribuisce alla realizzazione di design più efficienti e più robusti.
Kit di valutazione PFC totem pole
Un esempio di strumento maggiormente focalizzato sull’applicazione è il kit di valutazione che realizza uno stadio PFC (correzione del fattore di potenza) totem pole completo.
In questo circuito non sono integrati unicamente i semiconduttori di potenza (in questo caso MOSFET SiC di IV generazione e MOSFET Si SJ, ovvero a supergiunzione al silicio) e il loro circuito di comando del gate, ma vi sono integrati anche tutti i circuiti di misurazione indispensabili per l’operatività del circuito, nonché la regolazione e altri componenti di circuito necessari in un tipico alimentatore industriale basato su tale topologia.
L’Immagine 5 mostra una foto del kit di valutazione dalle dimensioni di circa 210 x 90 x 55 mm e una potenza nominale attorno a 3 kW con una tensione di ingresso di 230 V AC.
Immagine 5: kit di valutazione PFC totem pole
Il presente kit di valutazione è fruibile per analizzare nel dettaglio la topologia implementata e per condurre valutazioni comparative specifiche delle applicazioni, ad esempio per stimare l’incidenza della scelta del semiconduttore sull’efficienza del circuito.
Documentazione tecnica e ulteriore supporto
Oltre ai kit di valutazione e agli strumenti di simulazione si può disporre di una gamma di testi applicativi e di altra documentazione in costante crescita, per supportare le attività di progettazione che prevedono i semiconduttori di potenza di ROHM. Molti di questi documenti forniscono indicazioni sucome effettuare misure sui circuiti con componenti velocissimi, ad es. i MOSFET SiC.
Una panoramica di tali materiali è consultabile in [2]. Infine sia in Europa – ove ROHM gestisce tra l’altro un moderno laboratorio applicativo nel campo dell’elettronica di potenza – che in Giappone i team di esperti FAE e AE di ambo i sessi, sono lieti di fornire ai clienti il supporto a livello di applicazione che si aspettano.
Sintesi
Il presente articolo ha illustrato numerosi vantaggi tecnici vantati dall’imminente quarta generazione di MOSFET SiC di ROHM. Inoltre ha presentato una selezione degli strumenti approntati da ROHM a supporto delle attività di progettazione. Si tratta di:
- Modelli di simulazione basati su SPICE e modelli per strumenti di simulazione come il programma PLECS, oltre al ROHM System Solution Simulator [n.d.T.: simulatore di soluzioni di sistema ROHM].
- Kit di valutazione di imminente uscita, destinati sia alla caratterizzazione dei componenti in semplici circuiti a semiponte che ai circuiti pertinenti per l’applicazione come un PFC totem pole.
- Informazioni tecniche sotto forma di testi applicativi e di supporto ad opera di team di esperti.
Abbinando componenti performanti e un’ampia offerta di strumenti di supporto, ROHM contribuisce allo sviluppo di efficienti soluzioni per i sistemi di elettronica di potenza di domani.
[1] www.rohm.com/solution-simulator
[2] https://www.rohm.com/power-device-support
