Vantaggi dei Mosfet in carburo di silicio

I mosfet al carburo di silicio (MOSFET) sono un componente sempre più diffuso nei progetti di elettronica di potenza. Questi semiconduttori di potenza ad ampio band gap vantano molti vantaggi rispetto ai dispositivi al silicio, tra cui la riduzione delle perdite di commutazione e la diminuzione della dissipazione di calore.

Queste caratteristiche eccezionali rendono questi convertitori di frequenza ideali per le applicazioni ad alta temperatura, come le stazioni di ricarica dei veicoli elettrici, i sistemi di energia rinnovabile, le unità UPS e gli azionamenti dei motori. Continuate a leggere per scoprire altri vantaggi eccezionali.

Alta tensione di guasto

I MOSFET in carburo di silicio presentano un campo elettrico di breakdown di un ordine di grandezza superiore rispetto ai dispositivi tradizionali in silicio, consentendo loro di funzionare a temperature più elevate e di raggiungere livelli di potenza di commutazione maggiori con perdite di conduzione e di commutazione ridotte. La loro tensione di breakdown più elevata consente anche strati di blocco più sottili e altamente drogati, con un aumento dei portatori maggioritari per una minore resistenza specifica di accensione (Ron,sp).

I mosfet al carburo di silicio sono caratterizzati da elevate tensioni di breakdown che consentono loro di funzionare a temperature molto più elevate rispetto ai dispositivi al silicio standard senza aumentare la corrente di dispersione o danneggiare l'ossido di gate, contribuendo a ridurre la perdita di potenza e migliorando l'affidabilità in condizioni operative difficili. Ciò comporta una riduzione della perdita di potenza complessiva e una maggiore affidabilità in condizioni operative difficili.

Il carburo di silicio si distingue per l'eccezionale resistenza chimica e all'usura, che lo rende perfetto per applicazioni come gli alimentatori ad alta temperatura e i convertitori di tensione, dove le condizioni ambientali difficili potrebbero potenzialmente causare danni da corrosione al dispositivo.

Le prestazioni termiche superiori del carburo di silicio consentono frequenze operative più elevate che aumentano la densità di potenza e l'efficienza per applicazioni quali azionamenti di motori industriali, gruppi di continuità, sistemi di energia rinnovabile, stazioni di ricarica per veicoli elettrici e centri dati IT: questi vantaggi fanno di questa tecnologia una svolta nel settore dell'elettronica di potenza.

Il carburo di silicio è un materiale semiconduttore, ovvero la sua struttura contiene atomi di silicio e carbonio. Con un punto di fusione di 2800 gradi centigradi e proprietà chimiche che lo rendono radiologicamente inerte, questa sostanza vanta eccezionali qualità di resistenza alle radiazioni.

I prodotti discreti CoolSiC di WeEn sono perfettamente adatti alle topologie di commutazione dure e risonanti, come LLC e ZVS, e possono essere pilotati con driver standard come gli IGBT o i CoolMOSTM C7. I loro robusti progetti sono caratterizzati da un design a trincea all'avanguardia per migliorare l'affidabilità dell'ossido di gate e da perdite di commutazione e conduzione ai vertici della categoria con Vth = 4 V, che conferiscono a questi dispositivi un netto vantaggio rispetto alle tecnologie tradizionali al silicio, garantendo agli utenti la massima efficienza e affidabilità nel tempo.

Alta efficienza

Il carburo di silicio può non essere familiare, ma svolge un ruolo fondamentale nei dispositivi a semiconduttore. Prodotto ad alte temperature a partire da biossido di silicio e carbonio, il carburo di silicio viene utilizzato per produrre i grezzi necessari per componenti elettronici come diodi e MOSFET.

Gli azionamenti dei motori industriali, gli inverter/convertitori CA/CC, i gruppi di continuità e i sistemi solari fotovoltaici (PV) pongono requisiti elevati alle prestazioni dei transistor al silicio standard. Per questo motivo, sono emerse nuove architetture di transistor che offrono una maggiore efficienza energetica, un consumo energetico ridotto e un costo totale di proprietà inferiore per tutta la durata dei sistemi di alimentazione.

I MOSFET SiC di potenza condividono la stessa struttura di base dei tradizionali transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido metallico (MOSFET), con tre terminali: sorgente di alimentazione, drain e gate collegati tramite gate di controllo a un circuito di controllo esterno. Inoltre, questi MOSFET hanno una maggiore resistenza alla rottura della tensione che consente loro di sopportare tensioni transitorie più elevate senza declassamento, rendendoli adatti a sistemi che utilizzano carichi capacitivi o gruppi di continuità.

I MOSFET SiC offrono all'elettronica di potenza un vantaggio significativo in termini di efficienza rispetto ai dispositivi basati sul silicio, grazie a una combinazione di fattori, tra cui velocità di commutazione più elevate e minore capacità parassita. Una frequenza di commutazione più elevata consente di commutare una maggiore quantità di corrente in un periodo allocato, il che significa che è possibile utilizzare componenti induttivi e capacitivi più piccoli.

Il bandgap più ampio del carburo di silicio consente il passaggio di una maggiore quantità di corrente a una determinata temperatura, migliorando così l'efficienza grazie alla riduzione delle perdite di potenza e all'aumento dell'efficienza. Inoltre, la loro minore resistenza on-state rispetto ai MOSFET di potenza al silicio consente velocità di commutazione più elevate senza aumentare le perdite di potenza.

Anche l'affidabilità ha registrato notevoli miglioramenti da quando sono stati introdotti i MOSFET SiC di prima generazione di Toshiba. Uno dei problemi principali dei dispositivi originali era che all'accensione il diodo PN si eccitava, provocando variazioni nella resistenza di accensione che degradavano l'affidabilità del dispositivo. I dispositivi Toshiba di seconda generazione risolvono questo problema includendo un diodo a barriera Schottky (SBD) che ne impedisce l'attivazione all'accensione, con conseguenti variazioni della resistenza di accensione che degradano l'affidabilità del dispositivo.

Resistenza di accensione più bassa

I mosfet al carburo di silicio offrono ai progettisti di circuiti diversi vantaggi rispetto ai tradizionali mosfet a transistor di silicio, grazie alla loro minore resistenza di accensione. Ciò consente di ottenere frequenze di commutazione più elevate a parità di corrente, con conseguente aumento dell'efficienza che si traduce in componenti più piccoli e perdite complessive inferiori. Inoltre, questi mosfet SiC funzionano in un intervallo di temperatura più ampio, riducendo ulteriormente le perdite totali del sistema e aumentando contemporaneamente la densità di potenza e l'efficienza della conversione energetica.

La tensione critica di breakdown del carburo di silicio è oltre 10 volte superiore a quella del silicio, creando strati di deriva più sottili e una regione di deplezione più piccola. Inoltre, grazie alle sue caratteristiche di bandgap più ampie, gli elettroni si muovono più liberamente tra i terminali di drain e source, con conseguente riduzione della resistenza di stato.

La maggiore mobilità degli elettroni del carburo di silicio rispetto al silicio consente il passaggio di un maggior numero di elettroni attraverso ogni attivazione del gate, portando a valori di resistenza di accensione molto più bassi, che possono persino raggiungere meno di un milliohm alla massima temperatura operativa.

UnitedSiC (ora Qorvo) ha recentemente presentato il FET SiC con la più bassa resistenza di accensione del settore: 750V/6m in un pacchetto discreto standard, ovvero la metà di quello del suo concorrente più vicino! Questo livello di resistenza di accensione consente di ridurre in modo significativo le applicazioni ad alta tensione che in genere richiedono IGBT o MOSFET di potenza standard, senza dover sostenere costi aggiuntivi.

Tuttavia, occorre ricordare che la resistenza di accensione di qualsiasi dispositivo di potenza dipende da molte variabili, tra cui l'area della superficie del die e la percentuale di aree inattive, come le regioni di terminazione intorno ai bordi o le piazzole di contatto del gate.

I MOSFET SiC che utilizzano driver IGBT richiedono in genere 15-18 V per una resistenza di accensione ottimale; tuttavia, sono possibili anche driver a tensione inferiore per ridurre ulteriormente i livelli di resistenza di accensione.

La combinazione di caratteristiche prestazionali chiave del carburo di silicio lo rende un materiale ideale per le applicazioni di potenza ad alta tensione, comprese le topologie di commutazione dura nei convertitori LLC e ZVS, gli inverter per veicoli elettrici, gli alimentatori industriali e la protezione dei circuiti, la generazione di energia rinnovabile e le applicazioni di potenza dei centri dati. Wolfspeed offre un'ampia gamma di dispositivi di potenza al carburo di silicio da 1000 V ottimizzati per la commutazione rapida con la massima efficienza, perfetti per le applicazioni che richiedono una bassa resistenza di accensione, una bassissima capacità di uscita e una bassa induttanza di sorgente per fornire l'equilibrio ottimale dei rapporti perdita di potenza/perdita di conduzione.

Frequenza di commutazione più elevata

I MOSFET in carburo di silicio sono tipicamente caratterizzati da frequenze di commutazione più elevate rispetto alle loro controparti in silicio, grazie alla riduzione della resistenza di accensione e delle perdite di commutazione, alla maggiore mobilità degli elettroni (che consente agli elettroni di attraversare più rapidamente il loro canale) e all'utilizzo di componenti induttivi/capacitivi più piccoli, con conseguente riduzione delle dimensioni e dei costi del sistema.

Il SiC è noto anche per avere un bandgap più ampio, che rende la regione di deplezione più sottile, semplificando il movimento degli elettroni tra i terminali di gate e source, riducendo ulteriormente la resistenza di accensione e aumentando la capacità di blocco della tensione, rendendo i MOSFET in SiC adatti alle applicazioni di potenza ad alta tensione.

I MOSFET al carburo di silicio offrono molti vantaggi che li rendono adatti ad applicazioni industriali e di elettronica di potenza. Possono sostituire i transistor al silicio nei convertitori di potenza e negli inverter per aumentare l'efficienza e la densità di potenza ed essere utilizzati come componenti di alimentazione in applicazioni come i veicoli elettrici (EV) o i sistemi di energia rinnovabile.

La minore resistenza di accensione dei MOSFET SiC può estendere la loro vita operativa creando una finestra di commutazione più ampia e riducendo così il rischio di runaway termico. Tuttavia, i progettisti devono ricordare che la dissipazione di potenza dei MOSFET SiC aumenta con la temperatura; è quindi necessario ottimizzare il tempo morto e le regioni di dissipazione di potenza per ottenere le massime prestazioni.

L'elevata frequenza di commutazione dei MOSFET SiC li rende particolarmente sensibili ai parametri parassiti presenti nel loro pacchetto, come l'induttanza e la capacità parassite che causano sovratensioni ai loro terminali. Per combattere questo problema, i progettisti possono utilizzare tecniche tecnologiche wire-bondless che riducono al minimo questi componenti induttivi.

I MOSFET SiC sono caratterizzati da frequenze di commutazione più elevate che consentono di ridurre i componenti passivi negli alimentatori per migliorare l'affidabilità del sistema e ridurre i costi della soluzione, il che è particolarmente vantaggioso in applicazioni ad alta potenza come gli inverter per veicoli elettrici e i sistemi di energia eolica e solare.