PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEI SIC
I MOSFET in tecnologia SiC (acronimo di Silicon Carbide, ossia carburo di silicio) sono un prodotto tecnologico molto recente concepito per fornire il giusto compromesso ai progettisti di dispositivi di potenza.
Questa tecnologia, a differenza dei normali MOS in Silicio, offre diversi vantaggi in termini di efficienza e gestione della dissipazione termica grazie proprio alle caratteristiche del carburo di silicio.
La struttura di un MOS in tecnologia SiC è pressoché identica a quella dei MOS tradizionali e come questi presenta una simbologia a tre terminati: source, drain e gate.
La differenza sostanziale, come si evince dal nome, è nel materiale utilizzato per il substrato che è basato appunto sul carburo di silicio anziché sul semplice silicio.
Ovviamente, è proprio la chimica del substrato in SiC che conferisce sostanziali differenze con la tecnologia tradizionale: in particolare, offre caratteristiche maggiormente
favorevoli all’applicazione di tensioni elevate (tecnicamente una tensione critica di rottura del campo elettrico più elevata).
Questa caratteristica consente di realizzare dispositivi che resistano a campi elettrici e tensioni applicate molto più alte a parità di spessore del substrato,
oppure semplicemente realizzare dispositivi più piccoli. Inoltre, il materiale consente una maggior dissipazione termica grazie ad una più elevata conducibilità.
In parole povere, il SiC consente di lavorare a tensioni più elevate e a correnti maggiori, dunque con elevate potenze in gioco come possono essere i circuiti di alimentazione dei motori elettrici per la trazione.
Inoltre, una caratteristica fondamentale è il valore della resistenza nello stato di On del MOSFET in tecnologia SiC.
Questo in genere è circa il 50% del corrispettivo valore del MOS tradizionale, consentendo di fatto una velocità di commutazione maggiore.
Perché scegliere i dispositivi SiC?
Mostrano una tensione di blocco più elevata, una resistenza di stato inferiore e una conduttività termica più elevata rispetto alle loro controparti in silicio. I MOSFET SiC sono progettati ed essenzialmente elaborati allo stesso modo dei MOSFET in silicio. Le prestazioni migliorate derivano dai vantaggi materiali inerenti alla fisica del carburo di silicio. Grazie alla sua struttura semplice, alla facilità di progettazione e alle basse perdite di pilotaggio, il MOSFET SiC con modalità di miglioramento del canale N offre una buona compatibilità in sostituzione dei MOSFET al silicio e degli IGBT.
Quale nomenclatura utilizzano i dispositivi SiC?
I transistor SiC hanno preso in prestito la stessa nomenclatura dei loro fratelli in silicio: gate, drain e source, come mostrato in Fig.1. Inoltre, la resistenza on e la tensione di rottura di un dispositivo SiC hanno un significato simile a quello delle loro controparti in silicio. Le curve di tensione On-Resistance (RDS (ON)) e gate-source sono simili a quelle dei MOSFET al silicio. Il coefficiente di temperatura della resistenza ON del MOSFET SiC è simile a quello del MOSFET al silicio in quanto è positivo, ma l’entità della variazione di RDSon è inferiore nell’intervallo operativo del dispositivo.
Storia dei transistor SiC
Come si è evoluto il transistor SiC ? L’adozione di semiconduttori SiC è stata limitata dai costi del substrato, dalle peculiarità fisiche del materiale e dalla densità dei difetti. Questi problemi hanno limitato la diffusione dei dispositivi SiC ai diodi negli ultimi cinque anni. Tuttavia, i problemi di elaborazione dei wafer sono stati in gran parte risolti con lo sviluppo di wafer SiC a basso difetto che consentono di produrre MOSFET SiC. Cree ha introdotto il primo MOSFET SiC nel gennaio 2011. Questo transistor CMF20120D era valutato a 1200 V, aveva una resistenza di 80 mΩ ed era alloggiato nel contenitore TO-247. Sebbene il suo costo fosse superiore a quello dell’IGBT Si che avrebbe dovuto sostituire, i MOSFET SiC hanno una commutazione più rapida, una migliore efficienza e migliori prestazioni termiche. Il MOSFET SiC di seconda generazione, C2M0080120D, è stato rilasciato a marzo 2013 e presenta caratteristiche prestazionali migliorate. La tabella 1 confronta i parametri chiave del dispositivo delle parti di prima e seconda generazione. Si noti, in particolare, la riduzione delle dimensioni dello stampo e dei valori di capacità associati. Ciò contribuisce alla migliore efficienza di commutazione del dispositivo Gen2 e anche alla notevole riduzione dei costi.
Moduli di Potenza
Esistono moduli di potenza MOSFET SiC?
Cree ha introdotto il primo modulo di alimentazione a sei componenti in carburo di silicio (SiC) disponibile in commercio in un package standard da 45 mm (Fig. 2). Quando si sostituisce un modulo in silicio con valori nominali equivalenti, il modulo six-pack di Cree riduce le perdite di potenza del 75 percento, il che porta ad una riduzione immediata del 70 percento delle dimensioni del dissipatore di calore o ad un aumento del 50 percento della densità di potenza. Il modulo SiC a sei componenti sblocca i tradizionali vincoli di progettazione associati a densità di potenza, efficienza e costi, consentendo così al progettista di creare sistemi di conversione di potenza ad alte prestazioni, affidabili e a basso costo.
Quali gate driver possono essere utilizzati con un MOSFET SiC?
I circuiti integrati gate driver adatti per MOSFET SiC sono disponibili da IXYS, Texas Instruments e più recentemente da Avago. La famiglia di circuiti integrati UCC2753x di Texas Instruments è costituita da gate driver a canale singolo, ad alta velocità, in grado di pilotare interruttori di potenza MOSFET SiC con una sorgente fino a 2,5 A e una corrente di picco sink (azionamento asimmetrico) di 5 A (Fig.3). La forte capacità di caduta nell’azionamento asimmetrico aumenta l’immunità contro l’effetto parassitario di attivazione di Miller. L’UCC2753x può anche essere dotato di una configurazione a uscita divisa che consente al progettista di applicare resistori di accensione e spegnimento indipendenti rispettivamente ai pin OUTH e OUTL e di controllare facilmente le velocità di variazione della commutazione.
Il driver ha capacità di pilotaggop rail-to-rail e un ritardo di propagazione estremamente ridotto, tipicamente 17 ns. La soglia di ingresso di UCC2753xDBV si basa sulla logica a bassa tensione compatibile TTL e CMOS, che è fissa e indipendente dalla tensione di alimentazione VDD. La sua isteresi tipica di 1V offre un’eccellente immunità ai disturbi.
IXD_609SI di IXYS è un gate driver ad alta velocità di grado automobilistico. La sua uscita può generare e assorbire 9 A di corrente di picco, producendo tempi di salita e discesa inferiori a 45 ns. Sia l’uscita che l’ingresso hanno una tensione nominale di 35 V. L’ingresso è virtualmente immune al latch-up e i circuiti proprietari eliminano la conduzione incrociata e lo “shoot-through”. L’IXD_609SI ha un intervallo di temperatura operativa ambiente di Grado 1, da -40 ° C a +125 ° C. È certificato AEC Q100 edcè disponibile in un package Power SOIC a 8 pin con retro in metallo esposto.
L’ACPL-P346 di Avago è un fotoaccoppiatore gate drive da 2,5 A ad alta velocità che contiene un LED AlGaAs, accoppiato otticamente ad un circuito integrato con uno stadio di uscita di potenza. Questo fotoaccoppiatore è ideale per il pilotaggio di MOSFET SiC e di potenza utilizzati in applicazioni di inverter o convertitori AC-DC / DC-DC. L’elevato intervallo di tensione operativa dello stadio di uscita fornisce le tensioni di pilotaggio richieste dai dispositivi controllati da gate. La tensione e l’elevata corrente di uscita di picco fornita da questo fotoaccoppiatore lo rendono ideale per MOSFET a pilotaggio diretto ad alta frequenza per la conversione ad alta efficienza. L’ACPL-P346 ha la tensione di isolamento più alta di VIORM = 891 V di picco in IEC / EN / DIN EN 60747-5-5 ed è UL1577 riconosciuto con 3750 VRMS per 1 minuto.
Ottimizzazione del layout
Come si ottimizza il layout per garantire un corretto pilotaggio del gate?
Per ottenere tempi di commutazione rapidi, le interconnessioni del gate drive devono avere un minimo di parassiti, in particolare induttanza. Ciò richiede che il gate driver sia posizionato il più vicino possibile al C2M0080120DD. Prestate ttenzione nella selezione di un resistore di gate esterno appropriato per gestire il superamento della tensione e la suoneria. – Il ringing più alto può essere un problema, perché la transconduttanza inferiore e la tensione di soglia bassa del C2M0080120D di / dt possono accoppiarsi al circuito di gate attraverso qualsiasi induttanza gate / source comune. La ferrite aiuta a ridurre al minimo il ringing mantenendo un tempo di commutazione rapido. È necessario utilizzare un resistore di valore elevato (10 kΩ) tra gate e source per evitare un flottante eccessivo del gate durante i ritardi di propagazione all’accensione del sistema.
Il MOSFET SiC ha un diodo di body ?
Come i MOSFET al silicio convenzionali, il MOSFET SiC ha un diodo di body – un PN con tensione di soglia da 3,1 V a 3,3 V. La tensione di accensione più elevata riduce leggermente l’efficienza rispetto a un diodo Schottky SiC esterno, ma il diodo di body ha una carica di recupero inversa molto inferiore rispetto al diodo di body di un MOSFET al silicio.
