Tuttavia, i MOSFET SiC da 650 V offrono prestazioni eccellenti con un fattore di merito RDS(ON)*Qg competitivo e un carico di recupero inverso minimo. Ciò rende il SiC un'ottima alternativa ai MOSFET al silicio in di commutazione rigidacome la correzione del fattore di potenza totem-pole (TPPFC) o il boost sincrono. Alcuni ingegneri ritengono che il SiC non sia adatto per applicazioni ad alta frequenza e che il GaN dovrebbe essere utilizzato al suo posto per la commutazione rapida. Tuttavia, i recenti progressi tecnologici hanno ridotto l'area del die SiC, aumentandone ulteriormente l'idoneità per il funzionamento ad alta frequenza (>100 kHz). Di conseguenza, i dispositivi SiC sono ora utilizzati con successo in applicazioni come TPPFC a 100 kHz e a commutazione dolce a frequenze comprese tra 200 e 300 kHz. Inoltre, le tecnologie emergenti come i MOSFET SiC a trench e a cascode miglioreranno ulteriormente le loro prestazioni ad alta frequenza. Infine, altri ingegneri ritengono che il SiC sia una tecnologia di nicchia basata sul suo successo negli inverter di trazione per veicoli elettrici. Tuttavia, la necessità di una maggiore densità di potenza e di un funzionamento efficiente in quasi tutti i settori fa sì che i vantaggi del SiC possano essere applicati anche a una vasta gamma di progetti meno complessi, come i caricabatterie di bordo per veicoli elettrici (OBC), i moduli solari fotovoltaici (PV) e le applicazioni per le energie rinnovabili, nonché il cloud computing.
Figura 1: Immagine di un wafer di SiC
Selezione e funzionamento dei dispositivi:
molti progettisti utilizzano una tensione di gate negativa per impedire che i dispositivi SiC "rimbalzino" o si riaccendano inavvertitamente a causa dei transitori di commutazione, ma questo non è un requisito obbligatorio. Molti progetti SiC di successo non prevedono una tensione di gate negativa. Tuttavia, come per tutti i progetti, è opportuno seguire buone pratiche, come una progettazione ottimizzata che minimizzi gli effetti parassiti. Inoltre, il driver di gate deve essere in grado di assorbire una corrente sufficiente a mantenere il dispositivo saldamente spento. Un driver di gate con isolamento di giunzione può essere accettabile in un numero limitato di applicazioni, come i TPPFC. Tuttavia, è importante notare che i driver di gate con isolamento galvanico offrono una maggiore immunità al rumore e possono gestire meglio i transitori dv/dt dal nodo di commutazione, prevenendo falsi trigger. Poiché i MOSFET SiC commutano rapidamente e hanno una carica di gate (Qg) inferiore rispetto ai dispositivi al silicio equivalenti, un driver di gate con isolamento galvanico offre una progettazione più robusta, anche in applicazioni in cui non è strettamente richiesto. Molti driver SiC moderni offrono funzionalità pratiche come pilotaggio del gate negativo, DESAT, OCP, OTP e altre protezioni. La scelta del driver di gate appropriato rende il controllo di un dispositivo SiC non più difficile del controllo di un MOSFET al silicio.
Economia, ecosistema e catena di fornitura del SiC:
esiste la convinzione errata che le soluzioni SiC siano costose. Rispetto ai MOSFET al silicio, il prezzo di un dispositivo SiC è leggermente superiore; tuttavia, consideriamo una tipica soluzione di potenza da 30 kW basata sul silicio. In questo caso, il 90% del costo totale è rappresentato da induttori e condensatori (rispettivamente il 60% e il 30%), mentre i dispositivi a semiconduttore rappresentano solo il 10% del costo totale della distinta base (BOM). Supponiamo di sostituire i MOSFET al silicio con interruttori SiC. In tal caso, la capacità e l'induttanza si ridurrebbero del 75%, una significativa riduzione di costi (e dimensioni) che compensa l'aumento di costo dei componenti di commutazione. Inoltre, i dispositivi al silicio offrono un'efficienza inferiore rispetto ai dispositivi SiC, richiedendo quindi soluzioni di dissipazione del calore costose e ingombranti. Di conseguenza, il costo totale della distinta base di una soluzione SiC è inferiore a quello di una soluzione equivalente al silicio.
Economia, ecosistema e catena di fornitura del SiC:
esiste la convinzione errata che le soluzioni SiC siano costose. Rispetto ai MOSFET al silicio, il prezzo di un dispositivo SiC è leggermente superiore; tuttavia, consideriamo una tipica soluzione da 30 kW basata sul silicio. In questo caso, il 90% del costo totale è rappresentato da induttori e condensatori (rispettivamente il 60% e il 30%), mentre i dispositivi a semiconduttore costituiscono solo il 10% della distinta base (BOM) totale. Supponiamo di sostituire i MOSFET al silicio con interruttori SiC. In tal caso, la capacità e l'induttanza si ridurrebbero del 75%, una significativa riduzione di costi (e dimensioni) che compensa l'aumento di costo dei componenti di commutazione. Inoltre, i dispositivi al silicio offrono un'efficienza inferiore rispetto ai dispositivi SiC, richiedendo quindi soluzioni di dissipazione del calore costose e ingombranti. Di conseguenza, il costo totale della distinta base di una soluzione SiC è inferiore a quello di una soluzione equivalente al silicio.
L'ecosistema SiC si sta evolvendo rapidamente con la crescente diffusione di questa tecnologia. Attualmente è disponibile un'ampia gamma di dispositivi SiC e relativi driver di gate, con diverse tipologie di package per soddisfare svariate applicazioni. La base di conoscenze sul SiC si sta espandendo in tutto il settore, grazie al supporto sempre maggiore offerto dai produttori attraverso team di ingegneria applicativa, progetti di riferimento, note applicative, modelli di simulazione e strumenti. La disponibilità dei componenti (non solo SiC) ha rappresentato di recente una sfida per alcuni settori. Tuttavia, a seguito della recente acquisizione di GTAT, la catena di fornitura di onsemi è ora significativamente più solida. onsemi è l'unico fornitore su larga scala con capacità di fornitura SiC end-to-end, che includono di lingotti di SiC, substrati, fabbricazione epitassiale, produzione di dispositivi, moduli integrati di altissima qualità e soluzioni di package discreti. Per supportare la crescita prevista del SiC nei prossimi anni, onsemi prevede di quintuplicare la propria capacità produttiva di dispositivi e moduli, raddoppiandola di fatto in tutti i siti produttivi entro il 2023. E, di nuovo, raddoppierà quasi la sua capacità nel 2024, con la possibilità di un'ulteriore crescita in base alle esigenze.
Figura 2: La catena di fornitura end-to-end di Onsemi
Robustezza ad alta temperatura e alta tensione:
i semiconduttori a banda proibita ampia (WBG) offrono una maggiore robustezza contro le valanghe nei MOSFET SiC perché la concentrazione generata termicamente è molto inferiore rispetto ai dispositivi al silicio. Sebbene sia vero che i dispositivi SiC abbiano geometrie più piccole, con conseguente tempo di tenuta al cortocircuito più breve rispetto a un IGBT, l'utilizzo di un driver di gate SiC adeguato garantisce il rilevamento dei guasti e lo spegnimento del dispositivo con ampio margine, consentendone l'utilizzo con sicurezza in applicazioni critiche. La tensione della batteria di molti veicoli elettrici sta aumentando da 400 V a 800 V o addirittura 1.000 V. Nei sistemi solari fotovoltaici (FV), la tensione di ingresso sta aumentando da 600 V a 1.500 V. Per soddisfare questa domanda di dispositivi con tensioni di rottura più elevate, onsemi ha sviluppato una gamma di MOSFET planari EliteSiC M1 1700 V ottimizzati per applicazioni di commutazione rapida. Insieme a questi MOSFET, ha anche lanciato una gamma di diodi Schottky SiC da 1700 V.
Figura 3: MOSFET planare EliteSiC M1 1700 V
Conclusione
Una volta analizzati i dispositivi al silicio e al carburo di silicio attraverso diverse metriche, risulta chiaro che molti luoghi comuni diffusi sono privi di fondamento e che gli ingegneri possono avere fiducia nella scelta e nell'applicazione di questa versatile tecnologia nei loro progetti.
Autore: Ajay Hari, Direttore delle Applicazioni, onsemi
