Un’ondata di MOSFET SiC progetta l’alimentazione per colpire ad applicazioni ad alta tensione

Mentre l’elettronica di potenza industriale si sposta verso frequenze e tensioni operative più elevate, stanno emergendo tecnologie al carburo di silicio (SiC) per soddisfare le esigenze dell’elettronica di potenza della prossima generazione.

I MOSFET di silicio (Si) sono ampiamente utilizzati in quasi tutti i circuiti elettronici. Tuttavia, negli ultimi anni, il SiC è stato uno dei principali candidati per sostituire il silicio nel campo dell’elettronica di potenza.

Panoramica dei parametri Si vs. SiC.

Immagine 1: Panoramica dei parametri Si vs. SiC.

In questo articolo si discutono le differenze tra Si e SiC nei MOSFET, vedendo anche come alcuni nuovi prodotti della Microchip e STMicroelectronics (ST) possano realmente fare la differenza.


MOSFET SiC vs Si

Con le tecnologie emergenti, come i caricabatterie veloci per veicoli elettrici (EV) e le smart grids, sono necessari dei dispositivi di commutazione che funzionino a frequenze più elevate e che allo stesso tempo possano commutare in modo efficiente.

È proprio qui che entrano in gioco i MOSFET SiC, in quanto stanno risultando sempre più evidenti i limiti dei classici mosfet Si.

La dimensione di un MOSFET SiC è più piccola rispetto a un dispositivo al silicio e la capacità del gate dei MOSFET SiC è generalmente più piccola. Questo è ottimo per tutte le applicazioni ad alta frequenza. Invece la resistenza interna del gate è elevata.

Sebbene l’elevata resistenza del gate abbia un impatto negativo sull’operabilità nelle alte frequenze, d’altro canto fornisce protezione contro le sovratensioni, rendendo i MOSFET SiC altamente affidabili.


Vantaggi dei MOSFET SiC

In generale, si può dire che i dispositivi SiC hanno molteplici vantaggi rispetto ai Si.

I MOSFET SiC possono funzionare a temperature più elevate, avere una frequenza operativa più alta, gestire correnti elevate e allo stesso tempo garantiscono delle perdite di commutazione ridotte rispetto ai MOSFET Si.

Per quanto riguarda la produttività, prendendo come esempio gli inverter solari basati su SiC, essi possono raggiungere un’efficienza dell’86,5% e le perdite vengono ridotte in media del 13-16%. Inoltre, possono funzionare in un range di tensione più elevato e sono termicamente più stabili rispetto ai MOSFET Si.

Grazie a questi numerosi vantaggi, i MOSFET SiC sono popolari in applicazioni come:

  • Inverter fotovoltaici
  • Azionamenti motore
  • Ricarica di veicoli elettrici
  • Smart grids

Per soddisfare i requisiti di tali applicazioni, le aziende di semiconduttori stanno sviluppando delle soluzioni all’avanguardia.


MOSFET SiC IC per Automotive

Recentemente Power Integrity ha pubblicizzato due nuovi circuiti integrati di commutazione ad alta tensione. Questi circuiti integrati sono basati su MOSFET SiC da 1700 V della famiglia InnoSwitch3-AQ con certificazione automotive.

Immagine 2: progetto di riferimento dell’alimentatore.

La famiglia di circuiti integrati InnoSwitch mira a ridurre significativamente il numero di componenti esterni necessari e semplifica lo sviluppo del sistema. Inoltre, può funzionare per qualsiasi valore di tensione compreso tra 30 V e 1000 V.

Includono la rettifica sincrona e un controller flyback quasi risonante (QR) / CCM, che fornisce un’efficienza superiore al 90%. Questi nuovi dispositivi, a vuoto consumano meno di 15 mW, il che li rende particolarmente adatti per un’ampia gamma di applicazioni power industriali.


Microchip sfrutta le capacità del SiC

Un’altra azienda che sta puntando molto sui dispositivi SiC è Microchip, infatti ha annunciato la fornitura di MOSFET SiC e drivers per i kit per sviluppatori Power Stack di Mersen .

Immagine 3: kit Mersen Power Stack.

Lo scopo di Mersen è quello di aiutare i progettisti, fornendogli delle soluzioni SiC senza che essi debbano andare alla ricerca di nuovi prodotti che devono prima testare e trovare il modo di implementarli.

Il kit di progettazione di riferimento è composto dal MOSFET SiC MSCSM120AM042CD3AG da 1200 V di Microchip e dal gate driver digitale AgileSwitch 2ASC-12A1HP.
I kit sono predisposti anche per applicazioni inverter, consentendo così una rapida fase di prototipazione e di ridurre il tempo che ci vuole per portare sul mercato un nuovo prodotto.

Anche STMicroelectronics sta puntando ormai da tempo su questa tecnologia e adesso sta commercializzando due nuovi driver dual-gate: STGAP2HD per IGBT e STGAP2SICD per MOSFET SiC, ideali per facilitare la progettazione di applicazioni ad alta tensione .

Immagine 4: Schema a blocchi STGAP2SiCD di ST

I driver sono immuni ai transitori di carica 100 V/ns per prevenire accensioni spurie in ambienti particolarmente disturbati. Inoltre sono ideali per applicazioni fino a 1200 V e specificano un tempo di propagazione ingresso-uscita di 75 ns con elevata precisione PWM (modulazione della larghezza di impulso).

I nuovi gate driver sono isolati galvanicamente ed integrano numerose funzioni dedicate alla protezione del circuito, tra le quali:

  • Protezione termica
  • Watchdog
  • Protezione sottotensione (UVLO) per ogni canale
  • Un pin iLOCK per attivare due canali contemporaneamente in applicazioni dual low-side e half-bridge

Inoltre, i pin di ingresso dei gate driver sono compatibili con la logica TTL e CMOS fino a 3.3 V, semplificando l’interfacciamento con un microcontrollore o un processore di segnale.
Pertanto, con tutte queste caratteristiche integrate in un unico chip i nuovi gate driver di ST mirano non soltanto a semplificare la progettazione dei circuiti ad alta tensione, ma anche a diventare un vero e proprio punto di riferimento per i progettisti.


Prospettive future della tecnologia SiC

Nel complesso, l’elettronica di potenza gioca un ruolo essenziale nello sviluppo di applicazioni sempre più efficienti.

Poiché i dispositivi al silicio presentano alcune limitazioni critiche, i semiconduttori SiC mirano a sostituire i dispositivi Si nelle applicazioni ad alta tensione e ad alta frequenza.

La tecnologia SiC è destinata a perfezionarsi ulteriormente, sia in termini di prestazioni che di specifiche per soddisfare i severi requisiti dell’elettronica di potenza ad alta tensione.

Articolo originale: https://www.allaboutcircuits.com/news/a-wave-of-silicon-carbide-mosfet-designs-strike-at-high-voltage-industrial-automotive-applications/

Redazione Fare Elettronica