Autore: Xuning Zhang and Kevin Speer di Microchip Technology

Introduzione

Nel mondo dell’elettronica di potenza, più grande non è mai sinonimo di migliore.
Ciò è particolarmente vero per i sistemi di potenza ad alta tensione, per i quali i progettisti chiedono a gran voce una migliore tecnologia dei semiconduttori per soddisfare la domanda dei clienti, rivolta a convertitori più piccoli, più leggeri, più affidabili ed efficienti e, non ultimo, anche meno costosi.
Con i MOSFET al silicio e gli IGBT al silicio si rende però necessario scendere a compromessi; ad esempio, è necessario scegliere tra schema più affidabile o schema più efficiente, perché non è possibile avere entrambi.
I MOSFET in carburo di silicio ad alta tensione (SiC) sono quindi la chiave di cui i progettisti hanno bisogno per liberarsi dalle manette del silicio.

Figura 1. Un’intera flotta di veicoli elettrificati non consumer raccoglierà i benefici dei MOSFET SiC ad alta tensione.

Per quasi due decenni, i dispositivi di potenza SiC con tensioni nominali nell’intervallo tra 650 e 1200 V hanno permeato il mercato, consentendo finalmente ai progettisti di apportare progressi dirompenti alle tecnologie e alle apparecchiature finali, migliorando contemporaneamente prestazioni, affidabilità, dimensioni, peso e persino i costi. Il recente rilascio di una famiglia di prodotti SiC da 1700 V estende la miriade di vantaggi offerti dai SiC lungo tutta la catena di alimentazione, per spostare il paradigma della conversione della potenza verso nuovi segmenti finali di mercato, quali veicoli elettrici commerciali e pesanti, trazione leggera su rotaia e alimentazione ausiliaria, energie rinnovabili e azionamenti industriali.

In questo articolo, sono discussi in dettaglio i vantaggi offerti dai MOSFET SiC da 1700 V rispetto alle soluzioni in silicio esistenti in un’ampia gamma di livelli di potenza compresa tra i watt e i megawatt.

Dalle Decine alle Centinaia di Watt

Visto il livello di potenza così basso, dalle decine alle centinaia di watt, per quale motivo in questa fascia dovrebbe esserci un transistor da 1700 V? Nonostante di motivi ce ne sia uno solo, nella realtà è qualcosa di ubiquitario: è presente in ogni sistema di elettronica di potenza, l’auxiliary power supply (AuxPS) è essenziale per il funzionamento di routine di azionamenti di motori industriali, veicoli elettrici, data center, alimentazioni di backup, inverter solari, infrastrutture di ricarica, e molto altro.

L’AuxPS è un componente critico per il sistema perché fornisce alimentazione ai gate driver, ai circuiti di rilevamento e controllo e alle ventole di raffreddamento. Di conseguenza, l’AuxPS non può né deve gustarsi, quindi tutti i rischi a quella ipotesi associati devono necessariamente essere mitigati.

Poiché questi alimentatori low-power, isolati, switch-mode sono utilizzati in diverse applicazioni in tutto il mondo, devono poter accettare un ingresso DC ad alta tensione selezionabile tra una scelta ad ampio raggio (da 300 a 1000 V) e offrire come output una sorgente a bassa tensione (da 5 a 48 V). Probabilmente, il metodo più potente per la mitigazione delle possibilità di guasto è una progettazione semplificata del circuito. Come mostrato nella Figura 2, il progetto di circuito più affidabile è la topologia single-switch flyback (Fig. 2, sulla destra), che offre semplicità e numero ridotto di componenti e quest’ultima caratteristica aggiunge anche un vantaggio di un costo, complessivo inferiore.

L’introduzione dei MOSFET SiC 1700V offre una soluzione ideale per l’AuxPS. Combinando una tensione elevata di rottura, una minore resistenza specifica, e una velocità di commutazione elevata, questi dispositivi sono ideali per la topologia single-switch flyback. Al contrario, le soluzioni basate su silicio hanno una tensione nominale troppo bassa, che richiede un’architettura two-switch (mostrata nella Figura 2, sulla sinistra) che raddoppia la possibilità di guasti; oppure hanno una tensione nominale adeguata ma scarse prestazioni, pochi fornitori tra cui scegliere e, rispetto al SiC, anche un prezzo più alto.

Oltre alla maggiore affidabilità, allo schema di controllo più semplice, al numero ridotto di componenti e ai costi inferiori, un AuxPS che utilizza MOSFET SiC da 1700 V può anche avere dimensioni inferiori. La area-normalized on-state resistance, anche nota come specific on-resistance (Ron,sp), dei MOSFET SiC è una frazione di quella per i MOSFET al silicio. Ciò significa che i package più piccoli possono essere fruttati ai fini di die più piccoli e le perdite di conduzione essere ridotte, il che può in definitiva consentire dissipatori di calore più piccoli (o la loro completa eliminazione). Inoltre, i MOSFET SiC hanno perdite di commutazione inferiori, offrendo un percorso per ridurre le dimensioni, il peso e il costo del trasformatore, aumentando la frequenza di commutazione.

Figura 2. La topologia two-switch (a sinistra), che utilizza transistor al silicio, può essere sostituita con il single-switch flyback,
molto più semplice (a destra), utilizzando MOSFET SiC 1700V più performanti e più economici.

Dalle Decine alle Centinaia di Kilowatt

Aumentando la gamma di potenza, i MOSFET SiC da 1700 V offrono anche molti vantaggi rispetto ai MOSFET e agli IGBT al silicio in applicazioni che vanno da decine a centinaia di kilowatt. Tra gli esempi possiamo trovare inverter solari, sia di stringa che centrali, unità di potenza ausiliarie (APU) nei veicoli di trasporto commerciale, macchine per la saldatura e riscaldamento a induzione, azionamenti industriali, convertitori eolici e molto altro ancora.

All’aumentare della potenza elaborata, aumenta anche l’impatto dello switching più rapido ed efficiente dei SiC. Rispetto all’IGBT in silicio, i MOSFET SiC riducono le perdite di commutazione in media dell’80%, consentendo ai convertitori di aumentare la frequenza di commutazione e ridurre le dimensioni, il peso e il costo di trasformatori, ingombranti e costosi. Sebbene le perdite di conduzione dei MOSFET SiC e degli IGBT in silicio siano simili in presenza di carichi pesanti, molte applicazioni trascorrono la maggior parte della loro durata operativa restando nelle cosiddette “light load condition”. Prendiamo ora in considerazione alcuni esempi: inverter solari che funzionano in giornate nuvolose o all’ombra, convertitori di turbine eoliche nei giorni fermi, o porte dei treni (aperte/chiuse dalle APU di trasporto) che rimangono chiuse quasi tutto il tempo. In queste light load condition, molto comuni, i MOSFET SIC offrono perdite di conduzione inferiori per integrare le ridotte perdite di commutazione, rendendo possibile la riduzione dei dissipatori di calore o anche altre misure di gestione termica.

Da un punto di vista dell’affidabilità, i MOSFET SIC consentono ai progettisti di semplificare la topologia del circuito e lo schema di controllo, oltre a ridurre il numero di componenti associati e riducendo, di conseguenza, anche i costi. A causa delle maggiori esigenze di erogazione di potenza di questi convertitori medium-power, viene utilizzata una tensione del bus DC più elevata, in genere compresa tra 1000 e 1300 V. Quando si selezionano transistor in silicio, da utilizzare a queste alte tensioni dc-link, i requisiti di efficienza impongono ai progettisti di scegliere tra poche, complesse, architetture di circuito a tre livelli. Come mostrato in Figura 3, questi includono i diode neutral point clamped (NPC) circuit, gli active NPC circuit, o T-type circuit. Al contrario, l’uso di MOSFET SiC a 1700 V consente ai progettisti di liberarsi di questi vincoli e tornare al più elegante circuito a due livelli mostrato nella parte destra della Figura 3, tagliando drasticamente il conteggio dei dispositivi necessari a metà, e ottimizzando il controllo.

Figura 3. Le complicate topologie di circuiti a tre livelli (a sinistra) che utilizzano IGBT in silicio possono essere semplificate con la topologia a due livelli,
più “pulita”, elegante e affidabile (a destra), utilizzando la metà (o meno!) dei moduli SiC MOSFET da 1700 V.

Vale la pena menzionare l’importanza del power packaging e del corretto gate driving dei MOSFET SIC. Poiché il SiC può commutare alti livelli di potenza a velocità molto elevate, è necessario prestare molta attenzione al fine di evitare di superare la tensione e ridurre le emissioni sonore.
I convertitori medium-power in queste applicazioni disattivano abitualmente centinaia di ampere su un bus 1000-1300 V in meno di un microsecondo, richiedendo l’induttanza del package più bassa possibile, gate driver intelligenti ad azionamento rapido, e un layout di sistema ottimale.

La combinazione del power package SP6LI di Microchip Technology con la famiglia AgileSwitch® di gate driver digitali fornisce ai progettisti soluzioni pronte per ottenere il massimo vantaggio dai MOSFET SiC da 1700 V senza dover affrontare queste sfide, così abituali.

Megawatt

Nella gamma di potenza dei multi-megawatt, i fattori chiave della progettazione includono facilità della scalabilità ed esigenze di manutenzione minimali, che richiedono l’uso di soluzioni modulari basate su una cellula unitaria di base. Come mostrato in Figura 4, le cellule unitarie, a volte indicate come power electronic building blocks o sub-modules, sono configurate come convertitori a ponte H a cascata o modular multi-level converters (MMC). Le applicazioni nell’ordine di grandezza dei Megawatt includono solid-state transformer (SST), sistemi di distribuzione DC medium-voltage, traction power unit (TPU) in veicoli commerciali e pesanti, inverter solari centrali, convertitori eolici offshore e sistemi di conversione dell’energia a bordo di imbarcazioni.

Storicamente, i dispositivi di potenza a semiconduttore utilizzati nelle cellule unitarie sono stati IGBT al silicio da 1200 a 1700 V. Proprio come le applicazioni a bassa potenza, la distribuzione di MOSFET SiC da 1700 V a livello di cellule unitarie ne estende la capacità di gestione della potenza e le prestazioni elettriche. Come accennato in precedenza, i MOSFET SiC da 1700 V hanno perdite di commutazione inferiori, molto basse, rendendo possibile aumentare la frequenza di commutazione e ridurre drasticamente le dimensioni di ogni cellula unitaria. Inoltre, l’alta tensione di blocco di 1700V riduce il numero di celle unitarie necessarie per la stessa tensione dc-link che, in ultima analisi, aumenta l’affidabilità del sistema riducendo al contempo i costi.

Figura 4. Convertitore multilivello modulare (a sinistra) con più celle per ottenere la potenza nominale richiesta e (a destra)
due esempi di come una semplice configurazione di cella a due livelli può essere utilizzata con i MOSFET SiC a 1700V.

Riepilogo

L’arrivo dei MOSFET SiC da 1700 V avvantaggia una grande varietà di applicazioni e apparecchiature finali, offrendo una maggiore affidabilità a costi ridotti, entrambe le caratteristiche possibili seppur rendendo contemporaneamente i convertitori più piccoli, più leggeri e più efficienti.
Dai Watt ai megaWatt, i MOSFET SiC ad alta tensione consentono ai progettisti di superare i compromessi del silicio e apportare miglioramenti semplicemente dirompenti ai sistemi di conversione di potenza. Unitamente ai dispositivi di alimentazione SiC più robusti del settore, i packaging di potenza avanzati con induttanza parassita ultra bassa e i gate driver digitali stanno aiutando i progettisti ad ottenere il massimo valore dal SiC e accelerare il time-to-market.

Microchip Technology ha ampliato il suo portfolio SiC con l’introduzione dei MOSFET SiC 3.3 kV, con i più bassi on-resistance [RDS(on)] oggi disponibili sul mercato e SBD SiC con la più elevata corrente nominale, consentendo ai progettisti di beneficiare della loro robustezza, affidabilità e prestazioni. I MOSFET e gli SBD da 3,3 kV di Microchip completano l’ampia gamma di prodotti SiC dell’azienda, che include die da 700 V, 1200 V e 1700 V, discreti, moduli e gate driver digitali.