Come scegliere i dispositivi GaN o SiC per la commutazione ad alta tensione

a cura di Udo Blaga – Senior Technology Application Engineer Power, Avnet Silica.

Ogni ingegnere vorrebbe potere disporre di uno switch perfetto in grado di commutare istantaneamente tra gli stati On e Off e che sia immune da perdite. Per avere minori perdite possibili quando si passa da uno stato all’altro, è necessario che lo switch abbia una serie di caratteristiche. Deve avere una tensione di breakdown infinita, non consentire alcun flusso di corrente quando è interdetto, non presentare una differenza di tensione quando è polarizzato e non impiegare tempo per attivarsi o disattivarsi.

Uno switch di questo tipo non esiste. Gli switch reali presentano una tensione di breakdown finita, una corrente di dispersione quando sono interdetti, una differenza di tensione quando sono polarizzati e un tempo misurabile per passare da uno stato all’altro. Inoltre, tutti gli switch reali dissipano sempre una certa quantità di energia, sia quando sono polarizzati sia durante la commutazione.

 

Le nuove tecnologie ampliano le opzioni di commutazione

Oggi, le nuove tecnologie dei materiali, per esempio i semiconduttori (WBG – Wide Band Gap) come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), offrono ai progettisti delle soluzioni con prestazioni superiori rispetto a quelle delle tecnologie tradizionali, con caratteristiche sempre più simili a quelle di uno switch ideale. Benché – come spesso accade – le nuove tecnologie presentino un prezzo da pagare, questo viene compensato dai vantaggi e dall’aumento del valore commerciale legato appunto all’incremento di prestazioni.

Ad esempio, poiché il processo di produzione è ormai largamente ottimizzato per il trattamento in serie, i wafer di Silicio sono molto meno costosi da lavorare rispetto ai wafer in tecnologia SiC. Inoltre, i processi di taglio, molatura e lucidatura dei wafer di Silicio richiedono meno tempo rispetto a quelli utilizzati per i wafer dei SiC, in quanto tale materiale è più duro. Di contro, l’onere aggiuntivo legato ai wafer in tecnologia SiC può essere trasformato in valore poiché questo materiale mette a disposizione caratteristiche più performanti.

Alcune domande su come raggiungere i giusti compromessi di progetto utilizzando questi nuovi dispositivi spesso hanno risposte ovvie. Naturalmente, non ha senso sostituire un MOSFET in Silicio con un MOSFET SiC in un alimentatore da 3 euro. Ma potrebbe essere utile sfruttare un diodo SiC invece di un diodo epitassiale al silicio per migliorare, ad esempio, le prestazioni in un circuito di correzione del fattore di potenza (PFC – Power Factor Correction). Ciò migliorerebbe l’efficienza di conversione dell’alimentatore dell’1% o 2%, fornendo anche quello che potrebbe essere un margine extra molto gradito ai progettisti in termini di miglioramento di prestazioni termiche e di conseguenza con un impatto positivo anche sulle dimensioni e i costi della meccanica del sistema.

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Ha senso sostituire un MOSFET in silicio con un dispositivo al carburo di silicio? In alcuni casi, sì, a patto però che sia possibile adattare lo stadio di pilotaggio del circuito per fornire una tensione di gate più elevata durante la fase di ON e fornire a una tensione di gate che a volte può essere negativa durante la fase di OFF. Oggi sono disponibili dispositivi di pilotaggio dotati degli stadi driver e dei transistor adeguati. Il vantaggio legato a questa modifica è un aumento potenziale della frequenza di commutazione del sistema di conversione da tre a cinque volte. Ciò a sua volta consente di risparmiare spazio grazie all’uso di componenti magnetici e di altri dispositivi passivi conseguentemente più piccoli.

Vale la pena di investire per ottenere temperature di esercizio relativamente più alte (da 175°C a 200C)? Sì, se si può utilizzare l’incremento di questo margine termico per aggiornare le specifiche del dispositivo e proporlo su un nuovo mercato, o se si può ridurre la dimensione del dissipatore di calore e quindi l’ingombro del prodotto finale.

Questo elevato intervallo di temperatura di esercizio può rappresentare anche un’opzione interessante in alcune applicazioni industriali e automobilistiche. Tuttavia, questi mercati spesso devono affrontare la conversione alle nuove tecnologie con una certa prudenza in quanto devono poter contare su una vita operativa molto lunga. Alcuni fornitori di dispositivi SiC stanno indirizzando questo aspetto introducendo dei nuovi test, come il test “dynamic H3TRB high-temperature high-humidity reversed bias”, per dimostrare che i loro dispositivi vantano livelli di qualità paragonabili a quelli delle tecnologie tradizionali alternative in silicio.

E i dispositivi GaN? Dove hanno senso? Al momento, la tecnologia GaN rende disponibili dispositivi fino a 650V per applicazioni in bassa tensione (esempio in applicazioni audio) o alimentate da rete monofase, come ad esempio alimentatori switching, caricatori e adattatori; PFC ad alta tensione; convertitori DC-DC e DC-AC; sistemi UPS e inverter solari più piccoli.

La Figura 1 (sotto) mostra gli ambiti operativi relativi ai vari tipi di dispositivi.

 

Figura 1: ambiti operativi adeguati ai vari tipi di dispositivi

 

Se ancora vi fosse indecisione in merito alla scelta dei diversi tipi di dispositivi e relative tecnologie dei materiali a semiconduttore, è possibile ricorrere alla semplice metodologia che abbiamo schematizzato di seguito.

 

Scelta dei dispositivi in base alle condizioni operative

Quale dispositivo semiconduttore dovremmo usare nei sistemi di conversione di potenza in relazione alle condizioni operative?

Consideriamo, ad esempio, il progetto di un ponte H nell’ambito di un convertitore AC-DC. La tensione del bus DC è di 370V, la corrente nel trasformatore è di circa 3A e lo switch opera da 15kHz a 25kHz. Per motivi di sicurezza, scegliamo un componente in grado di sostenere una tensione di commutazione fino a 650V e una corrente continua di drain di almeno 30A. Abbiamo libertà di scelta e si può scegliere tra un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), un MOSFET in silicio (SJ – tecnologia Super-Junction), un dispositivo SiC o un dispositivo GaN.

Un modo per individuare il dispositivo più adeguato da utilizzare è concentrarsi sulle condizioni operative. Possiamo fare la nostra scelta rispondendo a una serie di domande:

• Il circuito commuterà a meno di circa 20 kHz?
• Il livello di potenza è superiore a 3kW?
• Se è importante contenere i costi, il dispositivo è economico?
• Il sistema di conversione sarà alimentato da una rete trifase?

Se una delle risposte è “sì”, l’opzione migliore è un IGBT in silicio.

Se il progetto non soddisfa questi criteri, la seguente serie di domande aiuterà a restringere la scelta:

• La frequenza di commutazione è tra 20 kHz e 100 kHz?
• Il progetto sarà soggetto a un’ampia varietà di condizioni di linea e di carico?
• Il progetto richiede efficienza e costi moderati?
• Il sistema di conversione sarà alimentato da una rete monofase?

Se il circuito soddisfa queste caratteristiche, l’opzione migliore è un MOSFET SJ in silicio.

Se il circuito non soddisfa questi criteri, possiamo passare alle seguenti domande:

• La frequenza di commutazione è superiore a 100 kHz?
• Il progetto sarà soggetto a un’ampia varietà di condizioni di linea e di carico?
• Si tratta di un progetto ad alta potenza da diversi kW che richiederà un’elevata efficienza?
• Il circuito dovrebbe consentire alla corrente di scorrere in entrambe le direzioni?
• Il sistema di conversione sarà alimentato da una rete trifase?

Se valgono queste condizioni, la scelta migliore è un MOSFET SiC.

 

Figura 2: Esempio semplificato di MOSFET SiC in un alimentatore ausiliario da 100W

 

Se non abbiamo ancora trovato il nostro dispositivo, dovremmo proseguire chiedendoci quanto segue:

• La frequenza di commutazione sarà superiore a 100 kHz e nel range del MHz?
• Il circuito sarà soggetto a un’ampia varietà di condizioni di linea e di carico?
• Il progetto dovrebbe supportare livelli di potenza medi, fino a diverse centinaia di Watt, garantendo elevati livelli di densità di potenza ed efficienza?
• Il sistema di conversione sarà alimentato da una rete monofase?

Se valessero tutti questi criteri, l’opzione migliore potrebbe essere un MOSFET GaN.

 

Scelta di un dispositivo in base all’applicazione target

Ancora una volta, occorre considerare una serie di criteri per definire quale dispositivo utilizzare. In generale, gli azionamenti per motori che operano a più di 250W, i circuiti di correzione del fattore di potenza (PFC) che funzionano a più di 3kW, gli inverter solari/eolici da più di 5kW e gli UPS o gli inverter a ponte H per saldatura, dovrebbero essere progettati con degli IGBT in silicio.

Azionamenti che lavorano a meno di 250W, convertitori DC-DC che funzionano tra 75W e 3kW, circuiti PFC a bassa e media potenza o convertitori LCC, alimentatori a conversione diretta, circuiti flyback AC-DC con ingresso universale e microinverter solari dovrebbero essere realizzati utilizzando dei MOSFET SJ in silicio.

I progetti di potenza superiore, come i circuiti PFC oltre i 3kW, gli inverter solari a più di 5kW, alcuni caricabatterie di bordo per veicoli elettrici, nonché alcuni gruppi di continuità con circuiti PFC integrati, dovrebbero essere realizzati con MOSFET SiC.

 

Figura 3: Esempio di un convertitore PFC sixpack da 10kW di media complessità per applicazioni AC-DC

 

Figura 4: Esempio di un convertitore PFC attivo bidirezionale per applicazioni AC/DC, per inverter o per caricabatterie di bordo per veicoli elettrici, con funzionalità di restituzione di energia (Bidirezionale)

 

Infine, le applicazioni alimentate da rete monofase che lavorano a meno di 650V, tra 75W e 750W, che devono avere caratteristiche di ingombro e dissipazione ridotte, nonché di portabilità, dovrebbero essere progettate con dei MOSFET GaN.

Nelle scelte di progettazione, è sempre necessario raggiungere dei compromessi in termini di prestazioni, costo, requisiti operativi, dimensioni, efficienza termica, disponibilità commerciale e così via. L’introduzione delle tecnologie Sic e GaN può rendere più complessa l’esplorazione di tali compromessi, tuttavia in alcune applicazioni la disponibilità di queste ulteriori opzioni potrebbe offrire la possibilità di migliorare le caratteristiche del progetto disponendo di uno switch quasi praticamente perfetto.

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