IGBT vs SiC: dispositivi a confronto

Settori quali le energie rinnovabili, l’aerospaziale, gli elettrodomestici, il trasporto di massa e di recente la mobilità elettrica, hanno posto sempre particolare attenzione sui dispositivi elettronici da utilizzare per gestire le grandi potenze necessarie al pilotaggio dei motori elettrici o degli inverter per trasformare le correnti continue in alternate. Negli ultimi anni, la crescente necessità di efficienza e riduzione delle perdite per l’incremento dell’autonomia dei veicoli elettrici ha portato dunque al perfezionamento delle tecnologie con innumerevoli innovazioni sia dal punto di vista dei processi tecnologici che dal punto di vista dell’industrializzazione e degli algoritmi di controllo. In questo scenario di continua evoluzione e miglioramento delle tecnologie, i dispositivi che maggiormente si sono affermati sono stati gli IGBT e, più recentemente, i MOS in tecnologia SiC. In questo articolo andremo ad osservare nel dettaglio le peculiarità di questi due dispositivi, affrontando dunque una panoramica dei parametri che influenzano le decisioni dei progettisti nella scelta del componente più appropriato al proprio progetto.

Principio di funzionamento degli IGBT

Negli ultimi anni tutti i produttori di semiconduttori hanno immesso sul mercato un numero sempre crescente di modelli di moduli IGBT in grado di rispondere alle innumerevoli esigenze dei progettisti elettronici in diversi ambiti industriali. Il termine IGBT (acronimo di Insulated Gate Bipolar Transistor - ossia transistor bipolari a gate isolato) ci rende bene l’idea base dell’architettura di questi dispositivi: abbiamo un dispositivo il cui interno è costituito da un transistor bipolare e un MOSFET a gate isolato (Figura 1). Questo dispositivo combina dunque le caratteristiche peculiari di due tecnologie abbastanza differenti. Il MOS presente nell’architettura degli IGBT è un dispositivo di bassa potenza in quanto è utilizzato per il corretto pilotaggio della corrente di base del transistor bipolare. Il MOS dunque fornisce un’elevata impedenza di ingresso per il pilotaggio dell’IGBT, mentre i transistor BJT presenti forniscono una bassissima resistenza alle elevate correnti.

Figura 1: Simbolo schematico di un dispositivo IGBT

I dispositivi IGBT nascono per applicazioni specifiche di potenza dove si possono avere sia correnti che tensioni molto elevate. Il principio di funzionamento è come segue:

Definita la tensione di soglia Gate-Emettitore, il dispositivo IGBT risulta interdetto (OFF) quando la tensione Vge risulta inferiore alla tensione di soglia appena definita.
Quando la tensione gate-emettitore Vge supera la tensione di soglia, allora il dispositivo IGBT esce dalla condizione di interdizione ed entra in conduzione (ON). In questo caso la corrente che entrerà dal pin del collettore C uscirà dal pin di emettitore E. La caduta di tensione che si avrà tra C ed E sarà molto contenuta e dipende ovviamente dalla tecnologia di realizzazione del semiconduttore del dispositivo IGBT.
La corrente principale sarà quella che attraverserà la resistenza Rd e il canale N del MOS.
Dunque, possiamo concludere che i dispositivi IGBT si comportano come un transistor bipolare, però, anziché essere controllati attraverso la corrente di base sono controllati in tensione attraverso il MOS. Il tempo di commutazione dell’IGBT, parametro fondamentale per ridurre le perdite e aumentare la velocità, dipende dalla capacità di Gate del MOS di pilotaggio.

La progettazione di un circuito con l’utilizzo di dispositivi IGBT è molto delicata in quanto i progettisti devono valutare correttamente le principali caratteristiche di pilotaggio dei dispositivi quali la frequenza di commutazione, la corrente che scorre, la massima tensione applicata e via dicendo. Per la scelta del giusto componente è necessario osservare nel dettaglio le caratteristiche riportate sul datasheet. Tra i principali parametri che troveremo all’interno di un qualsiasi datasheet di IGBT ci sono:

La massima tensione continuativa tra collettore ed emettitore (V_CES). In genere questa è specificata a 25°C con la V_GE=0 (tensione gate-emettitore). Il fatto che questo parametro è specificato a 25°C è fondamentale e durante la progettazione va tenuto conto della variazione in temperatura di quest’ultima. In genere all’interno dei datasheet sono fornite anche delle formule in funzione della temperatura di giunzione o dei grafici equivalenti.
La corrente nominale continuativa ammessa sul pin del collettore (I_C) definita alla temperatura di 25°C. Anche per questa è fondamentale definire il valore corretto alla temperatura massima di funzionamento dell’apparecchiatura.
Oltre alla corrente nominale continuativa, in genere viene fornito anche un dato della massima corrente pulsata che può fluire attraverso il pin di collettore.
La massima tensione ammessa tra i pin di Gate ed Emettitore
La massima potenza dissipabile a 25°C e le eventuali equazioni o grafici indicanti il derating in funzione della temperatura
La resistenza termica R_TH che ci fornisce indicazioni sulle proprietà di conduzione del calore da parte del package del dispositivo
La tensione V_CE(sat) di saturazione tipica
La tensione di forward V_F tipica
La tensione di soglia tra gate ed emettitore V_GE(th)
Le correnti di leakage tra gate ed emettitore e la corrente di cut-off del collettore

Principio di funzionamento dei SiC

I MOSFET in tecnologia SiC (acronimo di Silicon Carbide, ossia carburo di silicio) sono un prodotto tecnologico molto recente concepito per fornire il giusto compromesso ai progettisti di dispositivi di potenza. Questa tecnologia, a differenza dei normali MOS in Silicio, offre diversi vantaggi in termini di efficienza e gestione della dissipazione termica grazie proprio alle caratteristiche del carburo di silicio. La struttura di un MOS in tecnologia SiC è pressoché identica a quella dei MOS tradizionali e come questi presenta una simbologia a tre terminati: source, drain e gate. La differenza sostanziale, come si evince dal nome, è nel materiale utilizzato per il substrato che è basato appunto sul carburo di silicio anziché sul semplice silicio. Ovviamente, è proprio la chimica del substrato in SiC che conferisce sostanziali differenze con la tecnologia tradizionale: in particolare, offre caratteristiche maggiormente favorevoli all’applicazione di tensioni elevate (tecnicamente una tensione critica di rottura del campo elettrico più elevata). Questa caratteristica consente di realizzare dispositivi che resistano a campi elettrici e tensioni applicate molto più alte a parità di spessore del substrato, oppure semplicemente realizzare dispositivi più piccoli. Inoltre, il materiale consente una maggior dissipazione termica grazie ad una più elevata conducibilità. In parole povere, il SiC consente di lavorare a tensioni più elevate e a correnti maggiori, dunque con elevate potenze in gioco come possono essere i circuiti di alimentazione dei motori elettrici per la trazione. Inoltre, una caratteristica fondamentale è il valore della resistenza nello stato di On del MOSFET in tecnologia SiC. Questo in genere è circa il 50% del corrispettivo valore del MOS tradizionale, consentendo di fatto una velocità di commutazione maggiore.

In maniera analoga a quanto fatto per i dispositivi IGBT, andiamo ora ad osservare i principali dati riportati all’interno di un datasheet di un dispositivo MOS SiC. Questi sono:

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