I dispositivi Wide Band Gap per applicazioni di elettronica di potenza

Lo sviluppo di dispositivi a semiconduttori di potenza con tecnologia SiC (carburo di silicio) e GaN (nitruro di gallio) è legato principalmente all'aumento della domanda di energia rinnovabile, all’elettrificazione del gruppo propulsore nei sistemi automotive ed alla crescente richiesta di miniaturizzazione delle dimensioni ed aumentata efficienza dei dispositivi nelle applicazioni di power management. Inoltre, l’espansione applicativa dei semiconduttori Wide Band Gap nel settore dell’elettronica di potenza, in particolare in quelli che sono i segmenti high power e alta temperatura, è rafforzata dalla crescita esponenziale del mercato dei semiconduttori SiC e GaN, anche in seguito all’implementazione di protocolli di comunicazione mobile nei quali sono richiesti semiconduttori di potenza a radiofrequenza.

L’elettronica di potenza è da sempre un affascinante settore per la ricerca e l'evoluzione tecnologica. I primi raddrizzatori al mercurio sono stati soppiantati dai transistors e dai diodi, sino ai moderni MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) e IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors). Sono trascorsi ormai più di 50 anni dall’invenzione del primo circuito integrato in silicio, che ha aperto la strada alle applicazioni dell'elettronica moderna. Tuttavia, il silicio non riveste più il ruolo di materiale leader nell’industria dei semiconduttori, a causa delle crescenti richieste prestazionali dei nuovi dispositivi e dell’intrinseca inefficienza legata all’eccessivo numero di transistors incorporati in un singolo chip di silicio, con inevitabili problemi di gestione termica legati allo smaltimento del calore.

Negli ultimi anni sono aumentate sempre più le potenze e le frequenze in gioco nelle power applications con conseguenti specifiche tecniche funzionali di progetto stringenti legate al design e all’ingombro del sistema complessivo. Allo stato attuale, la tendenza è quella di adottare componenti costituiti da semiconduttori che consentono una commutazione senza perdite o con una percentuale molto bassa di queste, alta velocità di commutazione e packaging compatto, per ottenere la massima efficienza. Il silicio, quindi, sia che si trovi allo stato puro che in quello drogato, è risultato per molti aspetti inadeguato ed è stato soppiantato dai semiconduttori WBG (Wide Band Gap), materiali innovativi prodotti su scala industriale per applicazioni high power. I dispositivi a semiconduttore di potenza Wide Band Gap in tecnologia SiC e GaN consentono di ottenere vantaggi progettuali ed elevati livelli prestazionali, quali bassa corrente di dispersione, notevole riduzione delle perdite di potenza, maggiore densità di potenza e un funzionamento a frequenza più elevata, tollerano maggiori temperature operative in dimensioni inferiori rispetto al dispositivo equivalente basato sul solo silicio, consentendo prestazioni applicative precedentemente impensabili. Altre caratteristiche di non minore importanza sono la robustezza e la maggiore affidabilità con conseguente migliore aspettativa di vita complessiva del dispositivo ed aumentata stabilità operativa.

Figura 1. CoolSiC MOSFET per applicazioni automotive di Infineon Technologies

Figura 2. CoolSic Schottky diode per applicazioni automotive di Infineon Technologies

Figura 3. MOSFET SiC di Rohm Semiconductor

Il carburo di silicio è, quindi, a tutti gli effetti, il materiale ideale per i dispositivi ad alta potenza ed alta tensione. I MOSFET SiC sono la soluzione ottimale per l’alta potenza, economici e affidabili e sono destinati a sostituire completamente gli interruttori di alimentazione al silicio. Resta necessario e imprescindibile, tuttavia, garantire l’affidabilità del dispositivo sia a breve che a lungo termine, la robustezza e gli alti livelli di prestazioni. L’utilizzo dei semiconduttori di potenza SiC e GaN è fortemente legato all’introduzione di dispositivi con prestazioni tecnologicamente superiori e dotati di una migliore capacità di alimentazione. Il nitruro di gallio consente capacità di potenza medio bassa, mentre il carburo di silicio è utilizzato soprattutto in dispositivi ad elevata capacità di potenza.

Le potenzialità applicative dei semiconduttori Wide Band Gap sono diretta conseguenza dei parametri elettrici e fisici. Le caratteristiche che rendono questi materiali altamente interessanti nell’elettronica di potenza sono, soprattutto, l’operatività ad alte temperature, conseguenza dell’elevato punto di fusione e della conducibilità termica, l’elevata frequenza di commutazione che dipende dal grado di mobilità degli elettroni e la possibilità di operare ad alti livelli di tensione. Gli applicativi consistono in diodi Schottky SiC, SiC MOSFET, JFET (Junction-gate Field Effect Transistors) e BJT (Bipolar Junction Transistors). Un forte consumo di semiconduttori di potenza si riscontra nell’elettronica automotive dei veicoli elettrici e ibridi nei quali il carburo di silicio permette di realizzare una conversione energetica efficiente e ricariche rapide, negli amplificatori di potenza basati su GaN ad alta velocità, negli alimentatori e negli inverter per il fotovoltaico, nell’energy harvesting come tecniche di generazione e stoccaggio di energia rinnovabile, ma anche nell’optoelettronica, nell’illuminazione a LED e nei microcontrollori.

Figura 4. Campi applicativi di Si, SiC e GaN in funzione della frequenza di switching e della potenza in uscita (Fonte: Infineon Technologies)

I dispositivi di alimentazione SiC hanno un grande impatto nelle applicazioni di energia rinnovabile come sistemi di generazione di energia solare ed eolica e stoccaggio della rete, mentre gli interruttori SiC avranno un ruolo determinante nelle trasmissioni dei veicoli elettrici. L’elettromobilità richiede, infatti, requisiti stringenti in termini di livelli di efficienza e riduzione di dimensioni e peso al fine di minimizzare i costi complessivi del sistema. In particolare, i semiconduttori Wide Band Gap fabbricati in carburo di silicio e nitruro di gallio vengono ampiamente utilizzati nel motor control grazie alle prestazioni di commutazione più rapida indispensabile per i motori che funzionano ad alte frequenze e con basse perdite di conduzione. I dispositivi di alimentazione SiC e GaN vengono implementati nei sistemi automotive e di trasporto grazie all'elevata tolleranza al calore, ridotte dimensioni, riduzione del peso e aumento dell'efficienza, ad esempio, in un veicolo elettrico il convertitore deve operare a valori elevati di frequenza per ridurre l’ingombro. I dispositivi MOSFET in carburo di silicio offrono alti livelli prestazionali, ampia robustezza, alta densità di potenza ed efficienza in applicazioni come convertitori DC-DC e caricabatterie di bordo per veicoli elettrici, con il vantaggio di poter ridurre notevolmente le dimensioni e il peso complessivo dei componenti. Inoltre, i materiali WBG emettono luce e proprio questa caratteristica ottica ha contribuito ad accrescere il rapido sviluppo dei semiconduttori SiC e GaN negli ultimi anni. I diodi a emissione di luce (LED, acronimo di Light Emitting Diode) basati su GaN forniscono una valida alternativa per il risparmio energetico alle lampadine a incandescenza. A livello progettuale, le proprietà intrinseche dei semiconduttori Wide Band Gap si traducono in dispositivi più efficienti di quelli al silicio, con minore dissipazione di energia in calore e quindi dimensioni ridotte dei componenti, il che riduce notevolmente anche i consumi energetici, dal momento che elevati valori di densità di potenza comportano volumi notevolmente ridotti. I dissipatori sono più compatti grazie alle frequenze di commutazione e alle temperature operative più elevate rispetto al silicio. Alti valori di frequenze di commutazione consentono induttanze con valori inferiori e condensatori più piccoli con capacità ridotta. [...]

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