SiC e GaN, due semiconduttori che raggiungono risultati interessanti nell'elettronica di potenza

Il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) stanno diventando la tecnologia d'elezione per la banda proibita larga (WBG) dei progetti di prossima generazione per l'alimentazione di veicoli elettrici, alimentatori industriali e impianti fotovoltaici. Diamo un'occhiata a ciò che sta accadendo e al perché le tecnologie WBG possono offrire un percorso alternativo per il futuro mentre esaminiamo alcune soluzioni WBG d'avanguardia che ci porteranno lì.

Dai veicoli ibridi ed elettrici passando per i data center sino all'elettronica militare di potenza, i semiconduttori SiC e GaN si sono affermati come materiali in grado di migliorare la conversione di potenza e i risparmi energetici nell'elettronica di potenza ad alta tensione.

Gli inverter per i gruppi propulsori dei veicoli elettrici, ad esempio, hanno fatto affidamento per molto tempo su IGBT a base di silicio, ma i progettisti del settore stanno utilizzando sempre più i MOSFET SiC che funzionano a frequenze più alte e sono idonei ad applicazioni ad elevata tensione di rottura. Di conseguenza, i dispositivi SiC stanno vivendo una stagione di forte crescita nel mercato dei veicoli ibridi ed elettrici, vista la disponibilità di diodi a barriera di Schottky (SBD) SiC, MOSFET SiC, transistor a effetto di campo a giunzione (JFET) SiC e di altri semiconduttori discreti SiC. Il successivo passo logico che ci possiamo aspettare è il rilascio di moduli interamente SiC.

Dal canto loro, i semiconduttori GaN promettono costi inferiori, sono più facili da produrre rispetto ai wafer SiC e stanno raggiungendo i volumi del SiC. Oltre che nei progetti del settore automotive come gli inverter, i dispositivi GaN stanno diventando popolari nei convertitori c.c./c.c. dei data center, negli alimentatori ad alta tensione e nell'elettronica militare di potenza.

Con il SiC affidabilità e densità di potenza maggiori

I materiali in SiC offrono una banda larga proibita di 2,86 elettronvolt (eV)¹, perciò dispongono di una conducibilità termica più alta rispetto al silicio, che si attesta a 1,11 eV. Questa loro caratteristica li mette in grado di condurre tensioni elevate per applicazioni ad alta potenza. Potendo offrire maggiore densità di potenza, durata e affidabilità sono idonei ai sistemi di conversione di potenza per l'elettrificazione dei veicoli, agli inverter solari e ad altre applicazioni ad alta potenza.

Ad esempio, I MOSFET SiC E-Series di Wolfspeed, un'azienda Cree, sono ottimizzati per i caricabatterie EV e i convertitori c.c./c.c. ad alta tensione. I dispostivi E-Series si basano sulla robusta tecnologia planare di terza generazione di Wolfspeed e vengono impiegati nel progetto di riferimento del caricabatterie bidirezionale da 6,6 kW su scheda.

Secondo Wolfspeed i MOSFET SiC E-Series dispongono delle perdite di commutazione più basse del settore e della più alta cifra di merito (FOM). Effettivamente, hanno un R_DSon che arriva a 65 mΩ, perciò il FOM, che tiene in considerazione le perdite di energia elettrica e i limiti termici per i dispositivi di alimentazione WBG potrebbe essere in cima alla lista o prossimo ad essa nel momento in cui scriviamo.

Inoltre, per ciò che concerne gli impianti ad energia solare che operano in ambienti estremamente difficili, questi dispositivi SiC sono conformi ai limiti di impiego del test HV-H3TRB. La loro conformità si riferisce all'80% della tensione di blocco nominale in una camera ambientale a una temperatura ambiente costante di 85 ⁰C con l'85% di umidità relativa.

Anche ROHM Semiconductor ha proposto la terza generazione dei suoi diodi SBD SiC in varie correnti nominali e diversi contenitori. I diodi SBD migliorano sensibilmente le caratteristiche della tensione diretta Vf e offrono una resistenza alle sovracorrenti transitorie più alta a fronte di un diminuzione della dispersione. Di conseguenza, i dispositivi possono avere una perdita di commutazione più bassa rispetto ai diodi in silicio a recupero rapido (SiFRD).

Inoltre, ROHM ha rilasciato moduli di alimentazione che integrano MOSFET SiC e diodi SBD in un contenitore standard del settore (Figura 1).

Figura 1: Una RDSon molto ridotta è la ragione principale per la quale i moduli di alimentazione che usano la terza generazione di MOSFET SiC hanno perdite di commutazione inferiori. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

I moduli di alimentazione a semiponte completamente in silicio (full SiC) hanno perdite di commutazione sensibilmente più basse rispetto ai moduli IGBT convenzionali e consentono un funzionamento a frequenze superiori ai 100 kHz.

GaN: dimensioni più piccole e velocità più alta rispetto al silicio

Il GaN offre una banda proibita persino superiore, pari a 3,4 eV e una mobilità degli elettroni doppia rispetto al silicio. Inoltre, l'assenza di crollo della corrente dei dispositivi in GaN consente di diminuire la dimensione e di migliorare l'efficienza dei sistemi di conversione di potenza.

Prendete ad esempio il dispositivo EPC2206 di EPC (Figura 2). EPC2206, che fa parte della famiglia di FET eGaN^®, è pensato per veicoli che usano un bus di distribuzione dell'energia elettrica da 48 V destinato a facilitare funzionalità come l'avviamento/spegnimento elettrico, lo sterzo elettrico, le sospensioni elettroniche e il condizionamento dell'aria a velocità variabile. I FET EPC2206 eGaN sono disponibili solo in formato die passivato con barre di saldatura. La dimensione del die è di 6,05 x 2,3 mm.

Figura 2: I FET eGaN EPC2206 di EPC sono disponibili solo in formato die passivato con barre di saldatura. La dimensione del die è di 6,05 x 2,3 mm. (Immagine per gentile concessione di EPC)

Anche i transistor a semiponte in GaN EPC2100 di EPC fanno parte della famiglia di FET eGaN (Figura 3 in alto). Per semplificare l'integrazione dei FET di potenza nella progettazione dei convertitori, EPC ha proposto la scheda di sviluppo EPC9036 (Figura 3, in basso).

Figura 3: Il transistor a semiponte in GaN EPC2100 viene proposto in formato die passivato con bump di saldatura (in alto). Misura 6,05 x 2,3 mm. Due di essi vengono posizionati in parallelo sulla scheda di sviluppo EPC9059 (in basso). (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

La scheda di sviluppo EPC9036 ha due CI eGaN EPC2100 da 30 V in parallelo con un solo pilotaggio del gate su scheda per correnti di uscita superiori. Dispone di tutti i componenti fondamentali e del layout per ottimizzare le prestazioni di commutazione.

C'è poi Transphorm, che offre il primo transistor in GaN ad ottenere la certificazione AEC-Q101 per il settore automotive nel 2017. Secondo Transphorm, i FET in GaN ad alta tensione di sua produzione offrono un ampio margine termico quando si sviluppa un sistema di alimentazione. TP65H035WSQA è il dispositivo in GaN di questa azienda con certificazione AEC-Q101 Gen III che ha esteso i limiti termici dei FET a 175°°C. Si tratta di 25°°C in più dei MOSFET in silicio con certificazione AEC-Q101 per l'alta tensione.

Le soluzioni descritte sopra dimostrano che i dispositivi di alimentazione in SiC e GaN si sono completamente affermati dal punto di vista commerciale. Più affrontano criticità progettuali in aree applicative strategiche, più aumentano i loro volumi e la loro facilità d'uso, contribuendo ad avvicinarli alle loro controparti in silicio in termini di alternativa drop-in.

Riferimenti:

1 – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/bandgap.html#c1