Riduzione delle perdite nei sistemi di alimentazione a commutazione ad alta tensione con MOSFET al carburo di silicio

Le applicazioni dell'elettronica di potenza, dai veicoli elettrici (EV) e gli inverter fotovoltaici (FV) alle stazioni di immagazzinaggio e ricarica, continuano a crescere per numero e diversità. Queste applicazioni richiedono tensioni di funzionamento più elevate, maggiore densità di potenza, perdite inferiori, maggiore efficienza e affidabilità. È possibile soddisfare questi requisiti utilizzando dispositivi di alimentazione basati su tecnologie ad ampio bandgap (WBG) come il carburo di silicio (SiC), una tecnologia in continuo miglioramento.

Perché il SiC?

Rispetto al Si, i materiali di semiconduttori WBG come il SiC hanno caratteristiche che ne fanno delle scelte di progettazione eccellenti per i sistemi di alimentazione a commutazione. Il bandgap si riferisce all'energia richiesta per spostare un elettrone dalla banda di valenza di un materiale alla sua banda di conduzione. Il bandgap più ampio del SiC consente una tensione di funzionamento più elevata. Altre caratteristiche importanti includono la conducibilità termica, la resistenza nello stato On, la mobilità degli elettroni e la velocità di saturazione.

La conducibilità termica misura la velocità con cui il calore viene trasferito dalla giunzione del semiconduttore all'ambiente esterno. La conducibilità termica del SiC è di quasi tre volte superiore a quella del Si. Ciò semplifica il raffreddamento dei dispositivi SiC, assegnando loro temperature nominali più elevate e consentendo semiconduttori SiC più sottili di un dispositivo Si equivalente con una tensione nominale simile. Il risultato sono dispositivi più piccoli per una determinata tensione e potenza nominale.

Il SiC consente ai progettisti di aumentare l'area che trasporta il flusso di corrente a parità di dimensioni del die, diminuendo la resistenza del dispositivo. Ne consegue quello che è il vantaggio più significativo del dispositivo SiC: una minore resistenza nello stato On del canale (RDSon) per dispositivi con la stessa tensione nominale. Il valore RDSon più basso si traduce in minori perdite di conduzione e in una maggiore efficienza.

I semiconduttori SiC offrono una maggiore mobilità degli elettroni, per cui possono funzionare a frequenze più elevate rispetto ai dispositivi Si. Grazie al ridimensionamento di componenti passivi come trasformatori, bobine di arresto, induttori e condensatori, il funzionamento dei circuiti di potenza a una frequenza di commutazione più elevata consente notevoli risparmi sui costi. Il ridimensionamento riduce anche il volume di questi componenti, offrendo una maggiore densità di potenza complessiva.

La velocità di saturazione è la velocità massima di un elettrone in un campo elettrico elevato. Nei semiconduttori SiC, la velocità dell'elettrone è due volte superiore a quella dei semiconduttori Si, il che riduce i tempi e le perdite di commutazione.

Esempi dei più recenti MOSFET SiC

Sfruttando i principali vantaggi del SiC, Vishay ha introdotto i MOSFET SiC serie MaxSiC da 1200 V. La serie utilizza la tecnologia MOSFET proprietaria per fornire valori di RDSon di 45, 80 e 250 mΩ in contenitori standard per applicazioni industriali come inverter di trazione, conversione e immagazzinaggio di energia fotovoltaica, caricabatterie integrati e stazioni di ricarica. La serie è caratterizzata da velocità di commutazione elevate e da una resistenza ai cortocircuiti (SCWT) di 3 μs.

I MOSFET MaxSiC sono dispositivi a canale N classificati per una tensione drain-source (V_DS) massima di 1200 V e possono funzionare a temperature comprese tra -55 e 150 °C. Per ogni valore di RDSon, i dispositivi sono disponibili in due contenitori a foro passante standard. La dissipazione di potenza massima e la corrente di drain variano in base al numero di modello. La dissipazione di potenza massima e la corrente di drain continua (I_D) sono rispettivamente di 227 W e 49 A (Tabella 1).

I MOSFET MaxSiC elencati sono disponibili in un contenitore TO247-AD a tre o quattro conduttori (Figura 1).

Figura 1: I MOSFET MaxSiC sono disponibili in contenitori TO-247AD a tre e quattro conduttori. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Il contenitore a quattro conduttori ha anche un conduttore con connessione Kelvin per il pilotaggio del gate per ridurre al minimo l'accoppiamento della caduta di tensione della corrente di drain nei collegamenti del conduttore di origine.

I MOSFET MaxSiC sono idonei per applicazioni che richiedono una commutazione superiore a 600 V e livelli di potenza fino a 227 W, come i sistemi di batterie per autoveicoli da 400 e 800 V, le fonti di alimentazione fotovoltaiche e le stazioni di ricarica.

Conclusione

I MOSFET MaxSiC di Vishay sono dispositivi innovativi ad alta potenza per il settore automotive e dell'alimentazione. Offrono specifiche di tensione più elevate rispetto ai dispositivi Si standard e una minore resistenza di canale, il che li rende ideali per i progetti che richiedono basse perdite e alta efficienza.