Convertitori DC/DC per la tecnologia Mosfet SiC

La tecnologia Mosfet SiC dispone di funzionalità che lo rendono uno switch con caratteristiche superiori rispetto ai suoi omologhi di Silicio (Si). Permette di ridurre drasticamente le perdite di commutazione, offrendo nello stesso tempo una migliore conducibilità termica rispetto ad altre soluzioni. Una delle sfide dei driver MOSFET SiC è l'alta frequenza e alta tensione alla quale essi sono accesi. In questo contesto si sono sviluppati una serie di convertitori DC/DC per soddisfare le esigenze di pilotaggio dei Mosfet SiC. In particolare, la RECOM ha presentato nuovi dispositivi con alto isolamento fino a circa 4 kV DC e certificati UL-60950-1.

Introduzione

E' ormai ben noto nella comunità elettronica di potenza che i materiali semiconduttori carburo di silicio (SiC) e gallio-nitruro (GaN) mostrano proprietà superiori, consentendo un potenziale funzionamento del dispositivo di potenza ad alte tensioni, ma soprattutto ad alte temperature e velocità di commutazione rispetto alla tecnologia convenzionale Si. La tecnologia SiC è ormai ampiamente riconosciuta come affidabile alternativa al Silicio. Più di 30 aziende in tutto il mondo hanno stabilito la tecnologia SiC come elemento base per la produzione. Molti produttori di moduli di alimentazione e inverter di potenza hanno gettato le basi nelle loro tabelle di marcia per i prodotti futuri. I Mosfet a carburo di silicio (SiC) sono in procinto di sostituire definitivamente i power switch in silicio e una nuova elettronica che la piloti è necessaria con un mercato in continua evoluzione.  Grazie alle loro caratteristiche termiche rappresentano una soluzione migliore per varie applicazioni come azionamenti nell'ambito dell'automotive. Il transistor MOSFET SiC può essere guidato nello stesso modo dei suoi precursori. Tuttavia, il classico transistore come lo conosciamo ha molte capacità parassite che influenzano in modo significativo la velocità di accensione e spegnimento. Il transistor MOSFET SiC deve essere azionato con una più alta tensione di gate, tenendo in considerazione che quest'ultimo deve avere un veloce dV / dt per raggiungere tempi di commutazione veloci. Per soddisfare i severi requisiti di Mosfet next-generation, RECOM ha introdotto due convertitori DC/DC 2W progettati per alimentare i driver MOSFET SiC.

Caratteristiche dei convertitori DC/DC

Le nuove famiglie RxxP22005D edRKZ-xx2005D della RECOM sono state appositamente progettate per soddisfare le esigenze di un mercato sempre più in crescita, i Mosfet SiC. Le serie dispongono di uscite asimmetriche per il controllo dei driver SiC con valori di tensioni di ingresso che variano da 5 a 24 V. L'isolamento è un fattore importante che è stato tenuto conto in sede di design, le due serie offrono valori intorno ai 4 kVDC offrendo massima sicurezza. Le capacità parassite sono fortemente attenuate eliminado problemi di natura oscillatoria, disponendo a sua volta della modalita power sharing (asymmetrical current, asymmetrical power). Oltre alla conformità delle direttive RoHS, dispogono di certificazioni UL-60950-1.

Serie RxxP22005D

La serie RxxP22005D con un'efficienza tipica di 80% (Figura 1), dispone di tensioni di ingresso di 5, 12, 15, o 24VDC  e due uscite asimmetriche di + 20VDC e -5VDC con accuratezza del 5%.

Figura 1: Efficeinza vs Carico per la serie

Figura 1: Efficienza vs Carico per la serie RxxP22005D

I livelli di isolamento sono di 3kVDC o 4kVDC fino a 5.2kVDC/1minuto, con un intervallo di temperatura da -40 °C a + 90 °C per soddisfare gli ambienti più difficili in applicazioni automotive ed industriali. La figura 2 visualizza un esempio di layout circuitale dove è implementato il convertitore dc-dc che pilota il Driver Mosfet SiC con uscita indirizzata verso il SiC Mosfet, una induttanza all'ingresso del convertitore (insieme a C1) è richiesta in alcuni casi come filtro EMC (EN55022B). In figura 3 riportiamo alcune caratteristiche dei principali integrati della serie RxxP22005D.

Figura 2: Tipica applicazione per driver SiC Mosfet

Figura 2: Tipica applicazione per driver Mosfet SiC

 

Figura 1: Parametri dei principali IC della serie

Figura 3: Parametri dei principali IC della serie RxxP22005D

Le principali caratteristiche possono essere riassunte nei punti seguenti:

  • Power Sharing.
  • high voltage 5.2kVDC/1minuto di Isolamento.
  • Efficienza fino a 85%.
  • Temperatura di lavoro: -40°C to +90°C.
  • Certificazione UL60950.
  • Certificazione IEC/EN60950.

Serie RKZ-xx2005D

La serie RKZ-xx2005D (UL60950 e IEC/EN60950) dispone di convertitori DC/DC che trovano impiego sempre per i driver SiC Mosfet con caratteristiche simili alla serie precedente ma con una più alta efficienza che può arrivare fino al 87 % (Figura 4) e un massimo carico capacitivo di 47/680 uF. Le principali caratteristiche possono essere riassunte di seguito:

  • Power Sharing.
  • Alta tensione di isolamento 3kVDC & 4kVDC per 1 minuto.
  • Efficienza fino a 87 %.
  • Temperatura di lavoro da -40°C a +85°C
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Figura 4: Caratteristiche della serie RKZ-xx2005D

Considerazioni

La domanda di alta efficienza e una maggiore densità di potenza è una sfida per i semiconduttori a base di silicio a causa delle caratteristiche fisiche del materiale. Questi possono essere superati impiegando  materiali a largo band-gap come SiC. Le applicazioni fotovoltaiche richiedono sempre componenti più efficienti e questi nuovi materiali si adattano perfettamente. Le opportunità per i produttori di convertitori DC/DC non mancano. Le aziende spingono continuamente i limiti con nuovi progetti di packaging, aumentando i livelli di integrazione. Tuttavia, per ogni design che integra più componenti per ridurre le dimensioni della scheda o modulo, il calore diventa un problema più significativo. Così i progettisti devono trovare anche dei modi per migliorare l'efficienza e gestire la dissipazione del calore. Il mercato dei convertitori dc-dc è in espansione, gli analisti stimano una crescita fino a circa 5 miliardi di dollari nel 2019 con un CAGR di circa il 5 %.  Alimentata da una sana crescita in una serie di applicazioni tradizionali, tra cui le comunicazioni, computer e vari settori industriali, nonché l'emergere di diverse nuove e innovative architetture di potenza (SiC), le prospettive per il mercato dei moduli relativamente ai convertitori DC-DC dovrebbero acquisire una forte considerazione in visione anche dei nuovi dispositivi per pilotare driver Mosfet SiC.

Convertitori DC-DC RxxP22005D e RKZ-xx2005D della RECOM

 

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 10 giugno 2016

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