I motori elettrici industriali rappresentano una delle principali fonti di consumo energetico, in particolare negli Stati Uniti, dove i motori trifase costituiscono quasi il 30% del carico della rete elettrica.
L’Agenzia Internazionale per l’Energia sottolinea un notevole potenziale di risparmio energetico in questo ambito, grazie all’adozione di sistemi motore più efficienti in grado di garantire fino al 70% di risparmio energetico.
Nell’Unione Europea, misure legislative come il Net-Zero Industry Act (NZIA) e la legge sul clima Fit for 55 evidenziano ulteriormente l’impegno della regione verso pratiche energetiche sostenibili nell’industria.
Questo ha portato a una tendenza verso l’ottimizzazione più precisa dei motori in funzione dei carichi operativi e all’impiego di inverter per il controllo della velocità.
Tecnologie emergenti come il carburo di silicio (SiC) sono considerate un’alternativa agli IGBT per la prossima generazione di inverter per motori, consentendo una maggiore efficienza e una riduzione dei consumi energetici nelle applicazioni industriali.
IGBT – Il componente di riferimento
Gli IGBT sono stati a lungo il componente di commutazione preferito per gli inverter AC dei motori, supportando applicazioni industriali e di conversione dell’energia con tensioni da 300V a oltre 6000V e correnti che variano da pochi ampere fino a diverse migliaia. Strutturalmente simili ai transistor bipolari a giunzione, ma con un gate di tipo MOSFET, offrono un funzionamento efficiente fino a frequenze di commutazione di 30kHz.
Storicamente, gli IGBT hanno dominato le applicazioni oltre i 600V, con prestazioni in costante miglioramento grazie, ad esempio, all’introduzione dei pin Kelvin (terminali separati dedicati al ritorno del driver di gate, che permettono un controllo più preciso e riducono i disturbi dovuti alle alte correnti) per un controllo più preciso e una riduzione delle EMI. Tuttavia, con l’avvento dei MOSFET SiC a larga banda proibita (WBG), il mercato sta evolvendo, offrendo ai progettisti una valida alternativa ad alta efficienza.
I MOSFET SiC offrono tre vantaggi chiave rispetto agli IGBT:
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Minori perdite di commutazione
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Frequenze di commutazione più elevate
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Migliore conducibilità termica
I MOSFET SiC presentano una disattivazione molto più rapida e una corrente residua (“tail current”) molto ridotta, riuscendo a diminuire le perdite fino al 60% o più rispetto a un IGBT, mentre le perdite all’accensione possono migliorare di oltre il 50%. In termini di perdite di conduzione e del diodo, i benefici si notano soprattutto in condizioni di carico parziale; in generale, però, le perdite di conduzione sono limitate rispetto a quelle di commutazione.
Gli inverter basati su MOSFET SiC possono essere pilotati a frequenze decisamente superiori rispetto ai design basati su IGBT, lavorando agevolmente tra 50kHz e 200kHz nei progetti commerciali. Questo impatta direttamente sui componenti passivi come il condensatore del DC link (un condensatore che stabilizza la tensione continua tra lo stadio di raddrizzamento e quello di inverter), che può rappresentare tra il 20% e il 50% del volume di un inverter. Anche un modesto aumento della frequenza di commutazione può dunque consentire un design più compatto e leggero.
Con la crescente domanda di inverter più compatti, i problemi termici diventano prevalenti, un ostacolo per gli IGBT suscettibili al thermal runaway (cioè l’aumento incontrollato della temperatura che porta al guasto del componente). Al contrario, i MOSFET SiC, grazie alla maggiore conducibilità termica, risultano più adatti a soluzioni compatte e ad alta densità.
Confronto dei circuiti di pilotaggio
I principi di progettazione dei gate driver utilizzati per gli IGBT possono essere applicati anche ai MOSFET SiC. L’incremento della standardizzazione nei pin dei driver di gate permette di testare facilmente diverse alternative prima di individuare il componente ottimale. Tuttavia, potrebbe essere necessario rivedere alcune specifiche dei driver, soprattutto per soddisfare frequenze di commutazione più alte, slew rate più impegnativi, correnti di sink/source maggiori e requisiti stringenti sui tempi di propagazione. Scegliere un MOSFET con pin Kelvin aiuta inoltre a evitare l’influenza dell’induttanza lungo il percorso di ritorno della sorgente.
Si possono aggiungere uno o due diodi nel percorso del gate per consentire un controllo separato delle fasi di accensione e spegnimento, assieme a una rete RC verso massa per ridurre il rischio di accensioni parassite.
MOSFET SiC di terza generazione
Sulla base dell’esperienza maturata con le generazioni precedenti, Toshiba ha presentato la terza generazione di MOSFET SiC, migliorando ulteriormente le prestazioni di commutazione e semplificando l’integrazione a livello progettuale.
I principali miglioramenti sono:
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Riduzione della variazione di RDS(ON) nel tempo
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Basso valore di RDS(ON) × Qgd
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Ampio intervallo di tensione VGSS
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Finestra di tensione di soglia Vth più ampia e precisa
Il diodo Schottky (SBD) è integrato direttamente sul chip accanto al transistor, con una corrente nominale pari a quella del MOSFET e una bassa caduta di tensione diretta (VF) di circa 1,35V per i dispositivi da 1200V. Poiché la corrente inversa scorre attraverso il diodo Schottky (SBD) e non attraverso il body diode (il diodo intrinseco del MOSFET, caratterizzato da prestazioni inferiori in queste condizioni), si evita la generazione di difetti cristallini nell’area del transistor, garantendo una maggiore robustezza e un valore di RDS(ON) costante nel tempo operativo.
Il parametro RDS(ON) × Qgd è migliorato dell’80% rispetto alla generazione precedente, riducendo la corrente necessaria per caricare e scaricare il gate, con tempi di commutazione più brevi e prestazioni superiori.
Infine, l’intervallo VGSS è stato ampliato: con un range da -10V a +25V, il gate risulta meno sensibile a piccoli sovra- e sottotensionamenti. Associando ciò a una finestra di tensione di soglia Vth tra +3V e +5V, i progetti sono meno vulnerabili a inneschi indesiderati su rami ponte, specialmente in ambienti elettricamente rumorosi.
Nella gamma di MOSFET SiC di terza generazione da 650V, sono disponibili dispositivi a tre e quattro pin con RDS(ON) da 107mΩ fino a 15mΩ, in package TO-247 e TO-247-4L; sono inoltre previsti package TOLL e DFN 8x8mm. Per la versione da 1200V, sono disponibili dispositivi a tre e quattro pin con RDS(ON) da 140mΩ fino a 15mΩ, con temperatura di canale fino a 175°C per entrambe le classi di tensione.
Integrazione dei SiC in un inverter AC per motori
Per valutare le prestazioni di questi MOSFET SiC di terza generazione, è stato sviluppato un inverter AC trifase da 400V che solitamente utilizzerebbe IGBT. La piattaforma, denominata RD220, supporta sia MOSFET SiC a tre che a quattro pin (TW045x120C) insieme a un driver di gate otticamente isolato TLP5774H. Nel percorso di accensione viene utilizzata una resistenza da 33Ω, mentre nel percorso di spegnimento è presente un solo diodo.
La prima scheda della RD220 è un convertitore AC-DC basato su raddrizzatore (B6U), che fornisce una tensione DC link compresa tra 530V e 670V. La seconda scheda è l’inverter, che può generare una tensione trifase tra 360VAC e 440VAC fino a 15A.
Il sistema integra funzioni di rilevamento guasti per ciascuna fase del motore (U, V, W), monitoraggio di sovracorrente e sovratensione sul bus, e controllo della temperatura tramite comparatore TC75W95FU. Entrambe le schede funzionano con alimentazione di controllo a 20V e l’inverter può essere raffreddato a convezione o ad aria forzata.
Utilizzando una frequenza di commutazione di 5kHz, l’inverter motore raggiunge un’efficienza del 98,6% a una coppia massima di 11,6Nm, quando pilota un motore da 2,2kW.
Transizione verso i SiC
È evidente che siamo nel pieno di una transizione dagli IGBT ai MOSFET SiC in quelle applicazioni dove i vantaggi sono concreti.
Per chi desidera incrementare significativamente la densità del proprio inverter o passare a un raffreddamento a convezione, la maggiore temperatura di esercizio dei SiC, la migliore conducibilità termica e la più alta frequenza di commutazione rappresentano un’opportunità.
I miglioramenti della terza generazione di MOSFET SiC di Toshiba rendono questa transizione ancora più semplice, grazie anche alla progettazione semplificata dei driver di gate, anche in presenza di carichi induttivi.
In alcuni casi, il driver di gate già utilizzato per l’IGBT nella progettazione precedente può essere mantenuto. Se invece si rende necessario un aggiornamento, questi nuovi MOSFET sono supportati da una gamma di driver isolati in grado di soddisfare i requisiti relativi a slew rate, tempi di propagazione e minimizzazione dello skew di canale. Reference design come l’RD220 costituiscono inoltre un ottimo punto di partenza per chi intende valutare concretamente i benefici che la tecnologia SiC può apportare agli inverter per motori in corrente alternata.
