Utilizzo dei semiconduttori di potenza SiC per aumentare l'efficienza dei convertitori a commutazione ad alte prestazioni

I dispositivi di potenza al carburo di silicio (SiC) promettono di ridurre i costi e migliorare l'efficienza rispetto a quelli al silicio (Si) ormai consolidati. Tuttavia, alcuni progettisti ritengono che i semiconduttori SiC siano piuttosto costosi e complicati da controllare.

Utilizzando i dispositivi SiC ad esempio di Microchip Technology, possiamo eliminare queste preoccupazioni, iniziando a delineare i vantaggi fondamentali della tecnologia SiC. Parleremo poi dei semiconduttori di potenza SiC e mostreremo gli strumenti di simulazione, i gate driver digitali configurabili e i progetti di riferimento che possono rendere il processo di sviluppo più gestibile.

Piccoli, leggeri, efficienti e convenienti

Molte applicazioni elettriche ad alte prestazioni negli impianti industriali, nei veicoli elettrici (EV) o nelle energie rinnovabili devono migliorare costantemente l'efficienza di conversione dell'energia, conservare le risorse e ridurre i costi. I MOSFET SiC offrono alcuni vantaggi eccezionali per tensioni di sistema fino a 2000 V e livelli di potenza superiori a 3 kW rispetto ai collaudati transistor bipolari a gate isolato (IGBT) Si.

Caratterizzati da fronti di commutazione ripidi e da una minore sovraelongazione, i semiconduttori SiC garantiscono perdite di commutazione estremamente ridotte, fino al 70% in meno a una frequenza di commutazione di 30 kHz rispetto agli IGBT (Figura 1). Queste prestazioni aumentano l'efficienza del sistema e si traducono in minori interferenze elettromagnetiche (EMI), riducendo la necessità di correzione del fattore di potenza (PFC) e di filtri di linea.

Figura 1: Rispetto agli IGBT (in alto), i MOSFET SiC (in basso) riducono le perdite di commutazione di oltre il 70% a una frequenza di commutazione di 30 kHz. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Il funzionamento a frequenze di commutazione elevate, a tensioni elevate e a correnti ridotte comporta una riduzione dei componenti induttivi e capacitivi. Ne deriva una riduzione del peso, delle dimensioni dei fili e dei costi della distinta base. Rispetto ai transistor Si, i semiconduttori SiC sono più stabili alle alte temperature e hanno una migliore dissipazione del calore, il che consente di ridurre i dissipatori di calore e il volume.

Grazie alla loro elevata energia a valanga, i MOSFET SiC sono robusti nei casi d'uso di commutazione induttiva unclamped (UIS). I MOSFET SiC sono generalmente molto affidabili, con un'elevata densità di potenza e capacità di tollerare cortocircuiti transitori.

Diodi a barriera di Schottky SiC veloci e a bassa perdita

I semiconduttori SiC di Microchip Technology sono un'opzione innovativa per i progettisti alla ricerca di una maggiore efficienza del sistema, un fattore di forma più piccolo e una temperatura di funzionamento più elevata per applicazioni quali inverter fotovoltaici, ricarica delle batterie, immagazzinaggio dell'energia, azionamenti per motori, gruppi di continuità (UPS), alimentatori ausiliari e alimentatori a commutazione (SMPS).

I diodi a barriera di Schottky (SBD) SiC di Microchip sono progettati con valori bilanciati per corrente di picco, tensione diretta, resistenza termica, capacità termica, bassa corrente inversa e basse perdite di commutazione.

Gli SBD sono disponibili in formati discreti, come MSC050SDA070BCT, doppio SBD con un catodo comune e un contenitore TO-247-3 che può gestire una tensione di ristabilimento inversa (V_RRM) di 700 V e una corrente diretta (I_F) di 88 A. Il modulo a ponte intero MSC50DC70HJ è dotato di morsetti a vite e può gestire 700 V e 50 A; il modulo a ponte trifase MSCDC50X1201AG è predisposto per la saldatura a foro passante.

MOSFET SiC robusti ad alta tensione e corrente elevata

I MOSFET SiC più recenti offrono un'elevata capacità UIS di circa 10-25 J/cm². Un tipico transistor singolo a canale N come MSC080SMA120B4 è disponibile in un contenitore TO-247-4, commuta 37 A a un massimo di 1200 V ed è dotato di una connessione di sorgente Kelvin separata per il controllo del gate senza interferenze.

I moduli di potenza MOSFET SiC sono ideali per le applicazioni di conversione nell'intervallo di decine e centinaia di kilowatt. Ad esempio, il modulo MSCSM120AM02CT6LIAG a semiponte è dotato di morsetti a vite e di un'induttanza di dispersione molto bassa. Contiene due MOSFET a canale N in grado di commutare in modo sicuro tensioni di circuito di carico fino a 1200 V e correnti continue fino a 947 A.

Il modulo MSCSM120TAM31CT3AG trifase a semiponte può gestire tensioni drain/source (V_DSS) fino a 1200 V, commutando correnti (I_D) fino a 89 A e con una dissipazione di potenza massima (P_D) di 395 W. I diodi a ruota libera SBD integrati sono caratterizzati da recupero inverso nullo, recupero diretto nullo e commutazione indipendente dalla temperatura.

Gate driver digitale programmabile

Tutti i componenti hardware e software necessari al funzionamento dei moduli SiC a bassa induttanza sono inclusi nel kit di sviluppo Accelerated SiC di Microchip (ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01). Il kit comprende una scheda plug-in di gate driver SiC digitale a doppio canale pronta all'uso, progettata per controllare moduli SiC a 1200 V. Il gate driver può essere programmato per ottenere prestazioni ottimali utilizzando Intelligent Configuration Tool (ICT) di Microchip e una scheda di programmazione.

La scheda driver viene inserita direttamente nel modulo SiC mediante una scheda di espansione adatta per formare un'unità compatta a semiponte per il funzionamento on/off a più livelli (Figura 2). I gate driver supportano il controllo avanzato della commutazione, sono dotati di una robusta protezione dai cortocircuiti e sono interamente configurabili via software, comprese le tensioni di gate di +/- V_gs.

Figura 2: In ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01, una scheda di espansione collega un modulo di potenza SiC a una scheda gate driver, formando un'unità di potenza a semiponte compatta. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Sviluppare rapidamente e con risultati di successo

Un'altra opzione per progettare in modo semplice, rapido e affidabile con i semiconduttori SiC per la vostra applicazione è utilizzare MPLAB SiC Power Simulator di Microchip. Basato su Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation (PLECS), il simulatore di circuiti aiuta i progettisti a valutare i dispositivi SiC prima di costruire un prototipo. Calcola le perdite di potenza e stima le temperature di giunzione dei dispositivi SiC utilizzando i dati dei test di laboratorio per le più comuni topologie di convertitori di potenza, come le applicazioni c.c./c.a., c.a./c.c. e c.c./c.c.

MPLAB SiC Power Simulator online fornisce topologie di circuiti da selezionare, guida l'utente nella scelta dei componenti, definisce i parametri operativi e simula le curve di segnale per tensione, corrente, dissipazione di potenza e temperatura (Figura 3).

Figura 3: MPLAB SiC Power Simulator online mostra i parametri del circuito e del sistema a sinistra e le curve di segnale simulate a destra. Qui sono mostrate le curve di tensione e corrente del circuito a ponte trifase Vienna. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Microchip offre molti progetti di riferimento basati su SiC documentati, tra cui file di progettazione per accelerare il lavoro. Sono inclusi alimentatori, caricabatterie e sistemi di immagazzinaggio dell'energia per la mobilità elettrica e le applicazioni industriali:

• Ponte c.c./c.c. bidirezionale da 11 kW per la ricarica dei veicoli EV
• PFC trifase Vienna da 30 kW
• Progetto di riferimento per stack di potenza SiC trifase da 150 VA

Conclusione

I semiconduttori di potenza SiC di Microchip offrono elevate prestazioni di sistema in applicazioni di convertitori a commutazione da decine a centinaia di kilowatt e assicurano progetti compatti ad alta densità di potenza. Inoltre, i progettisti possono usufruire di strumenti di simulazione coordinati, di gate driver digitali configurabili e di progetti di riferimento esaustivi per riuscire a realizzare più rapidamente i propri circuiti.