Semiconduttori Wide Band Gap: il futuro dell’elettronica di potenza

Pochi anni fa, i Mosfet SiC e GaN muovevano i primi passi fuori dai laboratori di ricerca, quando lo spazio applicativo era tutto coperto dal silicio, la cui supremazia, è oggi messa in discussione da queste nuove tecnologie.

I MOSFET SiC stanno entrando a pieno diritto in tutte quelle applicazioni di elevata potenza dove anche un guadagno di uno o due punti percentuali di efficienza può portare a significativi risparmi energetici e anche il GaN sta entrando in molte applicazioni dove l’efficienza è parimenti importante.

Carburo di Silicio (Silicon carbide – SiC) e Nitruro di Gallio (Gallium nitride – GaN) rientrano in quella categoria di semiconduttori definiti Wide Band Gap o WBG, caratterizzati da una banda proibita, ovvero la differenza tra la banda di valenza e quella di conduzione, particolarmente ampia.

tabella comparativa Mosfet SiC e GaN e Silico
Tabella 1

Dalla prima riga in tabella 1 è evidente come, per i WBG, il gap di banda sia, tre volte superiore a quello del silicio. Un maggiore gap di banda consente di:

  • Ottenere una minore dipendenza dalla temperatura dei principali parametri del dispositivo.
  • garantire una tensione di rottura molto più elevata.
  • Avere una resistenza per unità di superficie decisamente più bassa a parità di tensione di breakdown, come evidenziato dal grafico in figura 1.
Mosfet Sic e GaN
Figura 1

I pregi di SiC e GaN rispetto al Silicio

Un grande vantaggio dei MOSFET SiC e GaN è il basso valore di resistenza ottenibile tra source e drain in fase di conduzione (RDS-ON), che nel caso del SiC può essere tra le 300 e le 400 volte inferiore rispetto a dispositivi al silicio con tensione di breakdown simile. La riduzione di RDS-ON contribuisce a ridurre le perdite in conduzione.

Se si mette a confronto la perdita di energia nel passaggio dallo stato di conduzione a quello di interdizione (turn-off) tra IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, dispositivi di commutazione di elevata potenza al silicio), e MOSFET SiC e GaN, risulterà che in questi ultimi può essere anche di 100 volte superiore. La quasi totale assenza di coda di corrente nel passaggio da conduzione a interdizione consente un turn-off più veloce, perdite di interdizione drasticamente ridotte e la possibilità di operare a frequenze di commutazione più elevate.

In applicazioni switching, quindi, i MOSFET SiC offrono perdite di potenza inferiori, la possibilità di operare a tensioni più elevate, fino a 1.700 V e a frequenze anche di dieci volte superiori. Inoltre, con una conducibilità termica (W/cm x °C) di almeno tre volte migliore rispetto ai dispositivi in silicio, i MOSFET SiC possono operare a temperature più elevate e semplificare la progettazione termica.

La superiorità rispetto ai dispositivi in silicio in applicazioni di potenza è confermata anche per i dispositivi GaN. Anche in questo caso il valore della RDS-ON, che genera le perdite di conduzione, è decisamente più ridotto dei concorrenti al silicio, così come le perdite di commutazione sono invece principalmente legate alle capacità parassite del dispositivo, e alla quantità di carica necessaria al gate per fare commutare il dispositivo.

Mosfet Sic e GaN
Figura 2

SiC Mosfet: le applicazioni

È soprattutto in questo intervallo che la tecnologia SiC, grazie alla capacità di operare a tensioni elevate, può esprimere al meglio il vantaggio della migliore efficienza. In particolare si sta sempre più diffondendo in settori quali:

  • Emobility: per i motori di auto elettriche e ibride e per le infrastrutture per la ricarica dei veicoli elettrici, strutture particolarmente complesse, che nei sistemi di ricarica rapida possono arrivare a dover erogare centinaia di kilowatt.
  • Trasporto dell’energia: per il quale ci si sta muovendo verso l’uso della DC ad alta tensione
  • Energia eolica: con sistemi che arrivano facilmente a generare potenze nell’ordine della decina di megawatt.
  • Ferroviario: l’elettronica per il pilotaggio dei motori richiede la capacità di operare con diversi megawatt;
  • Fotovoltaico: con diversi livelli di potenza a seconda che si tratti di campi di celle FV o di sistemi domestici;
  • Automazione industriale: robotica, macchine operatrici.

I tassi di crescita annua variano a seconda del settore (figura 2).

Mosfet Sic e GaN

Le prospettive di mercato dei dispositivi Wide Band Gap

La transizione a una economia più verde e carbon-free sta portando all’esplosione della domanda di inverter e converter da tutti i settori.

Sono due le aree del mercato odierno che raccolgono le più grosse porzioni di componenti WBG: i veicoli elettrici e ibridi, che saranno sicuramente dominati dalla tecnologia SiC per livelli di tensione tipicamente superiori ai 650 volt e gli alimentatori, che vedranno entrambe le tecnologie competere. Seguono gli UPS (Uninterruptible Power Supply), l’infrastruttura che dovrà nascere per sostenere la mobilità elettrica e gli inverter per il fotovoltaico.

Redazione Fare Elettronica