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I MOSFET SiC per Applicazioni ad Alta Efficienza e Frequenza

I MOSFET SiC per Applicazioni ad Alta Efficienza e Frequenza

Grazie alle loro numerose applicazioni e alle loro caratteristiche di assoluto rilievo, i MOSFET SiC sono diventati estremamente popolari nel mercato dell’elettronica di potenza. In questo ambito, WeEn Semiconductors è emersa come un’azienda leader nello sviluppo e produzione di transistor MOSFET basati sul carburo di silicio (SiC) che hanno introdotto un miglioramento significativo nella tecnologia dei semiconduttori di potenza.

Questo articolo si concentrerà sul dispositivo WNSC2M1K0170B7 di WeEn Semiconductor, un MOSFET SiC a canale N disponibile nelle versioni con package TO263-7L e D2PACK-7L.

Vantaggi dei MOSFET SiC

Il vantaggio principale dei MOSFET SiC è legato alle proprietà del materiale stesso, ovvero il carburo di silicio. Rispetto ai tradizionali semiconduttori a base di silicio, il SiC si distingue per le sue eccezionali caratteristiche fisiche ed elettriche. Poiché il carburo di silicio ha una banda proibita (bandgap) con estensione maggiore rispetto al silicio, può resistere a temperature e tensioni più elevate. Grazie a questa proprietà, sia le perdite di conduzione che quelle di commutazione sono ridotte al minimo, con conseguente maggiore efficienza energetica.

L’eccellente conduttività termica del carburi di silicio aiuta a ridurre la produzione di calore, rendendo possibile la creazione di sistemi di alimentazione leggeri e poco ingombranti. Nell’elettronica di potenza, dove una buona gestione del calore è vitale per l’affidabilità e la durata del dispositivo, questa caratteristica è di fondamentale importanza. In qualità di produttore leader di MOSFET SiC, WeEn Semiconductors è ben posizionata per guidare questo cambiamento tecnologico. La dedizione dell’azienda alle attività di ricerca e sviluppo, unita all’enfasi sulla qualità e sull’affidabilità del prodotto, li ha resi un fornitore di riferimento nel settore dei semiconduttori.

Punti di forza  azienda WeEn

WNSC2M1K0170B7: specifiche tecniche

Il carburo di silicio (SiC), come altri semiconduttori con ampia banda proibita, sono preferibili al silicio per diversi motivi. Per cominciare, la banda proibita del SiC è maggiore di quella del silicio, con valori tipici di circa 3,26 elettronvolt (eV) per il SiC e 1,12 eV per il silicio. I dispositivi SiC sono particolarmente adatti per applicazioni ad alta potenza e ad elevata temperatura grazie al loro maggiore bandgap, che consente loro di funzionare a temperature più elevate senza subire danni o guasti. Come indicato nel datasheet, il MOSFET SiC WNSC2M1K0170B7 offre un intervallo di temperatura di giunzione (TJ) compreso tra -55°C e +175°C. Questo valore è superiore a quello dei transistor MOSFET a base di silicio, che tipicamente hanno un valore massimo di TJ di 150°C.

In secondo luogo, nel carburo di silicio il parametro critico della mobilità degli elettroni è significativamente più elevato di quello nel silicio. La maggiore mobilità degli elettroni migliora la velocità con cui i portatori di carica possono muoversi attraverso il materiale, contribuendo a velocità di commutazione più elevate nei dispositivi elettronici. Questa proprietà è particolarmente vantaggiosa nelle applicazioni di elettronica di potenza dove l’efficienza è fondamentale, poiché riduce sia le perdite di conduzione che quelle di commutazione. Le velocità degli elettroni (MOSFET a canale N) e delle lacune (MOSFET a canale P) possono essere accelerate da un campo elettrico e questa accelerazione è quantificata dalle rispettive mobilità (μ). La mobilità (μ) è definita come il rapporto tra la velocità e il campo elettrico (E). Una maggiore mobilità (μ) corrisponde ad una maggiore conduttività elettrica, che porta ad una ridotta resistenza. Il termine utilizzato per descrivere la massima velocità ottenibile è indicato come velocità di saturazione.

I MOSFET SiC come il WNSC2M1K0170B7 di WeEn offrono una velocità di saturazione di 2,7 · 107 cm/s, che è molto più elevata rispetto al silicio (2,7 · 107 cm/s). Questa caratteristica consente al dispositivo di funzionare a frequenze di commutazione elevate senza causare perdite di commutazione e problemi di generazione di calore.

La mobilità degli elettroni è una misura della velocità con cui gli elettroni possono muoversi attraverso un materiale in risposta a un campo elettrico. Poiché il SiC ha una mobilità elettronica maggiore rispetto al silicio, ciò significa che gli elettroni possono attraversare il canale più rapidamente, portando a una resistenza nello stato di conduzione (RDS(on)) inferiore. Inoltre, l’ampia banda proibita del SiC contribuisce a una regione di svuotamento più sottile nel canale, consentendo una resistenza di conduzione inferiore poiché gli elettroni possono muoversi più facilmente tra i terminali source e drain.

Tecnologia Mosfet SiC WeEn

Il dispositivo WNSC2M1K0170B7 presenta una resistenza di conduzione drain-source, in condizioni statiche (VGS = 15 V; ID = 1 A; TJ = 25°C), di 1000 mΩ. La resistenza drain-source è spesso espressa in relazione alla larghezza del canale (W) ed è normalizzata per unità di larghezza. L’equazione per il calcolo della resistenza drain-source normalizzata è la seguente:

Dove:

  • RDS(on)​ è la resistenza normalizza drain-source nello stato di conduzione
  • RDS​ è la resistenza drain-source nello stato di conduzione
  • W è la larghezza del canale del MOSFET.

Nei MOSFET, la resistenza nello stato on è un parametro critico poiché influisce direttamente sulla dissipazione di potenza e sull’efficienza del dispositivo. Una resistenza di conduzione inferiore porta a una migliore conduzione e a ridotte perdite di potenza. Spesso, i progettisti cercano di ridurre al minimo il valore di RDS(on) per migliorare le prestazioni dei MOSFET in varie applicazioni elettroniche, come amplificatori di potenza, regolatori di tensione e alimentatori a commutazione.

La resistenza drain-source normalizzata nello stato on del WNSC2M1K0170B7, espressa in funzione della temperatura di giunzione, è mostrata in Figura 1. Il grafico è stato tracciato nelle seguenti condizioni operative: IDS = 1 A; VGS = 18 V; tp < 200μs.

Figura 1: RDS(on) normalizzata in funzione di TJ (Fonte: WeEn Semiconductor)
Figura 1: RDS(on) normalizzata in funzione di TJ (Fonte: WeEn Semiconductor)

Inoltre, il SiC presenta una conduttività termica superiore rispetto al silicio. La conduttività termica del carburo di silicio è circa tre volte superiore a quella del silicio. Questa elevata conduttività termica facilita una migliore dissipazione del calore, consentendo ai dispositivi SiC di funzionare a livelli di potenza più elevati e in ambienti termici più esigenti. Il miglioramento delle prestazioni termiche è fondamentale per l’affidabilità e la longevità dei componenti elettronici.

Il WNSC2M1K0170B7 ha una dissipazione di potenza totale di 91W e una resistenza termica dalla giunzione al pacakge di 1,64 K/W. Come mostrato in Figura 2, riferita al MOSFET WNSC2M1K0170B7 con package TO263-7L, la dissipazione di potenza varia con la temperatura. Un’eccellente conduttività termica consente ai progettisti di ridurre o addirittura eliminare la necessità di sistemi di raffreddamento esterni.

Figura 2: Dissipazione di potenza totale in funzione della temperatura del package (Fonte: WeEn Semiconductor)
Figura 2: Dissipazione di potenza totale in funzione della temperatura del package (Fonte: WeEn Semiconductor)

La maggiore intensità del campo elettrico di rottura dei dispositivi SiC, spesso superiore a 10 volte quella del silicio, consente loro di funzionare a tensioni più elevate, rendendoli adatti per applicazioni che richiedono livelli di tensione e potenza magiori. Il MOSFET SiC WNSC2M1K0170B7 dispone di una tensione di rottura drain-source di 1700 V; questa capacità di raggiunere tensioni operative maggiore è vantaggiosa nei sistemi di distribuzione dell’energia e nell’elettronica di potenza ad alta tensione.

Inoltre, il dispositivo semplifica la progettazione del circuito gate drive grazie a:

  • Un ampio range di tensioni gate-source (VGS), da -5 V a +18 V (il range massimo va da -10 V a +22 V)
  • Il dispositivo può essere portato nello stato off applicando una tensione di gate di 0 V
  • La tensione di soglia gate-source (VTH) ha un valore tipico di 3,2 V a 25°C e 2,4 V a 150°C (ID = 0,8 mA e VDS = 10 V)

Altre caratteristiche rilevanti del WNSC2M1K0170B7 includono un tempo di commutazione rapido, basse energie di accensione e spegnimento e la capacità di essere collegato in parallelo, contribuendo così a ottenere correnti più elevate e migliorando la gestione termica.

Tecnologia SiC Mosfet WeEn

Applicationi del WNSC2M1K0170B7

I MOSFET SiC trovano applicazioni in vari settori, soprattutto nell’elettronica di potenza e nei sistemi di alimentazione elettrica. Uno dei casi d’uso principali è quello dei convertitori e degli inverter di potenza, dove i dispositivi SiC consentono una maggiore densità di potenza ed efficienza. I veicoli elettrici (EV) e i sistemi di energia rinnovabile traggono notevoli vantaggi dai MOSFET SiC, poiché consentono sistemi elettronici di potenza compatti e leggeri, estendendo così l’autonomia dei veicoli elettrici e migliorando l’efficienza degli inverter solari e dei convertitori eolici.

Inoltre, la capacità di commutazione ad alta velocità dei MOSFET SiC li rende adatti per applicazioni che richiedono frequenze di commutazione elevate. Ciò è vantaggioso negli alimentatori, dove frequenze di commutazione più elevate si traducono in componenti passivi più piccoli, dimensioni ridotte del sistema e migliore risposta ai transitori.

Nel campo degli azionamenti dei motori e degli inverter di trazione per veicoli elettrici, i MOSFET SiC contribuiscono ad aumentare l’efficienza e la densità di potenza. La capacità di funzionare a temperature più elevate consente a questi dispositivi di prosperare negli ambienti automobilistici più esigenti, garantendo prestazioni affidabili e robuste.

L’elevata efficienza e la capacità di funzionare ad alte tensioni aprono le porte a caricabatterie per veicoli elettrici, UPS, inverter di stringhe solari e applicazioni di ottimizzazione solare.

Conclusioni

I MOSFET al carburo di silicio, in particolare quelli prodotti da WeEn Semiconductors, rappresentano un cambio di paradigma nella tecnologia dei semiconduttori di potenza. I vantaggi del SiC, tra cui il funzionamento ad alta temperatura, le perdite ridotte e l’aumento dell’efficienza, hanno aperto la strada ad applicazioni trasformative nei veicoli elettrici, nei sistemi di energia rinnovabile e nell’elettronica di potenza. Mentre il settore continua ad abbracciare la tecnologia SiC, la collaborazione tra produttori come WeEn e l’ecosistema elettronico più ampio è fondamentale per guidare l’innovazione e plasmare il futuro dell’elettronica di 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.