Le soluzioni SiC offrono alternative elettriche più piccole, leggere ed efficienti ai sistemi pneumatici e idraulici degli aeromobili per alimentare alternatori, attuatori e unità di potenza ausiliarie (APU) di bordo. Riducono inoltre le esigenze di manutenzione di questi sistemi. Ma l'esempio più eclatante del contributo della tecnologia SiC è l'elettrificazione dei veicoli per il trasporto commerciale, che sono tra le maggiori fonti di emissioni di gas serra al mondo. Con l'avvento dei transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) da 1700 volt (V) e 3,3 kV e della tecnologia MOSFET, le soluzioni SiC odierne consentono ai progettisti di ottenere la massima produttività da questi sistemi con un consumo energetico minimo.

L'ampliato portfolio SiC di Microchip offre ai progettisti le risorse necessarie per creare soluzioni più piccole, leggere ed efficienti per il trasporto elettrico, le energie rinnovabili, il settore aerospaziale e le applicazioni industriali. I MOSFET e gli SBD da 3,3 kV di Microchip completano l'ampia gamma di prodotti SiC dell'azienda, che comprende chip, componenti discreti, moduli e driver di gate digitali da 700 V, 1200 V e 1700 V. I dispositivi di potenza SiC da 3,3 kV di Microchip includono MOSFET con la più bassa resistenza RDS(on) del settore, pari a 25 mΩ, e SBD con la più alta corrente nominale del settore, pari a 90 ampere. Sia i MOSFET che gli SBD sono disponibili in formato chip o package. Questi nuovi livelli di prestazioni consentono ai progettisti di semplificare i loro progetti, creare sistemi di potenza superiore e utilizzare un minor numero di componenti in parallelo per soluzioni di alimentazione più piccole, leggere ed efficienti.

Vantaggi dei MOSFET SiC da 1700 V:
Il passaggio ai MOSFET da 1700 V ha esteso i vantaggi di conversione di potenza della tecnologia SiC ai veicoli elettrici commerciali e pesanti, nonché ai sistemi di trazione e alimentazione ausiliaria delle ferrovie leggere. Questi dispositivi stanno rendendo possibili i sistemi di propulsione di oggi e di domani e stanno rapidamente sostituendo i vecchi MOSFET al silicio e i transistor bipolari a gate isolato (IGBT). Soddisfano gli elevati requisiti di potenza e tensione di alcune delle maggiori fonti mondiali di emissioni di gas serra equivalenti a CO2, come autobus, treni, autocarri medi e pesanti e infrastrutture di ricarica. Offrono inoltre un'efficienza e un'affidabilità di sistema significativamente superiori rispetto ai MOSFET e agli IGBT al silicio, consentendo ai progettisti di ridurre le dimensioni delle unità di alimentazione ausiliarie (APU) e di altri sistemi chiave del veicolo.
I dispositivi SiC da 1700 V di oggi riducono le perdite di commutazione a una frazione di quelle degli IGBT al silicio. Ciò consente ai progettisti di aumentare le frequenze di commutazione e ridurre le dimensioni dei convertitori di potenza. A differenza degli IGBT, questi dispositivi non presentano una tensione di riposo, pertanto le perdite di conduzione sono inferiori anche in sistemi come le APU per il trasporto che operano in "condizioni di carico leggero", ovvero durante l'apertura e la chiusura delle porte dei treni che rimangono per lo più chiuse. Poiché la stragrande maggioranza delle applicazioni opera in condizioni di carico leggero per la maggior parte del loro ciclo di vita, i progettisti possono sfruttare la combinazione di basse perdite di commutazione e di conduzione dei MOSFET SiC per eliminare diverse misure di gestione termica, come i dissipatori di calore.

La topologia circuitale semplificata e il numero ridotto di componenti dei moderni MOSFET SiC ad alta tensione migliorano anche l'affidabilità, riducendo al contempo i costi. La tensione di blocco di 1700 V riduce le dimensioni del convertitore di potenza e consente ai progettisti di sostituire le architetture circuitali a tre livelli con un circuito a due livelli molto meno complesso. Ciò riduce il numero di dispositivi della metà o anche di più, semplificando al contempo il controllo.

Considerazioni importanti sui MOSFET SiC:
nella scelta dei MOSFET SiC per veicoli pesanti e altre applicazioni multi-megawatt, i progettisti devono considerare diversi fattori importanti. Uno di questi è la comodità di utilizzare soluzioni modulari basate su una cella unitaria di base (nota anche come blocco costitutivo o sottomodulo di elettronica di potenza).
Storicamente, i dispositivi a semiconduttore di potenza utilizzati nelle celle unitarie sono stati IGBT al silicio da 1200 V a 1700 V. Come per le applicazioni a potenza inferiore, l'impiego di MOSFET SiC da 1700 V a livello di cella unitaria amplia le capacità di gestione della potenza e le prestazioni elettriche. Come accennato in precedenza, i MOSFET SiC da 1700 V presentano perdite di commutazione molto inferiori, consentendo frequenze di commutazione più elevate e una drastica riduzione delle dimensioni di ciascuna cella unitaria.

Inoltre, l'elevata tensione di blocco di 1700 V riduce il numero di celle unitarie necessarie per la stessa tensione del collegamento CC, aumentando in definitiva l'affidabilità del sistema e riducendone i costi.
I progettisti devono anche valutare la robustezza del diodo intrinseco del MOSFET SiC. I dispositivi non devono presentare alcuna variazione percettibile nella resistenza drain-source (RDS(on)) prima e dopo i test di stress. Questo è fondamentale per garantire che non si degradino dopo molte ore di tensione diretta costante, poiché conducono corrente inversa e disperdono l'energia residua dopo un ciclo di commutazione. I progettisti devono esaminare attentamente i risultati dei test dei MOSFET SiC, poiché esiste una notevole variabilità tra i dispositivi di diversi fornitori. Molti mostrano almeno un certo livello di degrado, mentre altri possono addirittura diventare instabili. La scelta di un MOSFET SiC non degradabile elimina la necessità di un diodo antiparallelo esterno e i relativi costi del chip e spazio nel modulo di potenza.
Tuttavia, possono comunque sorgere problemi relativi ai livelli di prestazioni potenzialmente incoerenti del diodo intrinseco, più frequentemente in alcuni dispositivi rispetto ad altri. Questo problema può essere risolto regolando i parametri di accensione del MOSFET SiC tramite driver di gate digitali configurabili. Questi stessi driver vengono utilizzati anche per mitigare gli effetti collaterali delle elevate velocità di commutazione dei MOSFET SiC, come il rumore e le interferenze elettromagnetiche (EMI), nonché la limitata resistenza al cortocircuito e la sovratensione causate dall'induttanza parassita e dal surriscaldamento. Il controllo del gate digitale configurabile è diventato fondamentale per sfruttare appieno il potenziale della tecnologia SiC.

Risolvere le sfide di progettazione creando al contempo nuove opportunità.
I ​​driver di gate digitali configurabili sono specificamente progettati per mitigare gli effetti collaterali delle elevate velocità di commutazione dei MOSFET SiC. Oltre a ridurre le sovratensioni drain-source (VDS) fino all'80% rispetto all'approccio analogico tradizionale, riducono le perdite di commutazione fino al 50% e il time to market fino a sei mesi. Possono generare/supportare correnti di picco fino a 20 A e fornire un convertitore DC/DC isolato con una barriera a bassa capacità utilizzabile per segnali di modulazione di larghezza di impulso e feedback di guasto. Offrono inoltre un monitoraggio e un rilevamento dei guasti robusti, una risposta indipendente ai cortocircuiti e un controllo di accensione/spegnimento del MOSFET molto più preciso rispetto ai driver di gate analogici tradizionali, che controllano la pendenza di spegnimento solo tramite resistori di gate per le condizioni normali e di cortocircuito. Anche quando i driver di gate analogici standard vengono adattati per l'uso con i MOSFET SiC, non sono in grado di offrire queste funzionalità.

I driver di gate digitali configurabili offrono anche nuove e avanzate funzionalità di commutazione. Ciò consente ai progettisti di ridurre significativamente i tempi di sviluppo esplorando diverse configurazioni e riutilizzandole per parametri differenti dei driver di gate, come profili di commutazione, monitor di sistema critici e impostazioni dell'interfaccia del driver. La possibilità di adattare rapidamente i driver di gate a diverse applicazioni senza modifiche hardware riduce i tempi di sviluppo, dalla fase di valutazione alla produzione. I parametri di controllo possono essere modificati in qualsiasi momento del processo di progettazione e i progettisti possono anche cambiare i profili di commutazione al volo, in base alle esigenze dell'applicazione e/o al degrado dei MOSFET SiC.

Queste funzionalità di commutazione avanzate continuano a evolversi. Il controllo digitale del gate offre ora fino a due fasi di controllo all'accensione, rispetto alla singola fase dei tradizionali controller analogici, e fino a tre livelli di controllo allo spegnimento. Ciò garantisce un "atterraggio morbido" durante lo spegnimento, molto simile all'azionamento dei freni in un sistema antibloccaggio. L'aggiunta di un quarto livello di regolazione del cortocircuito offre la possibilità di un controllo ancora più preciso sugli effetti collaterali delle velocità di commutazione del SiC e di gestire overshoot, ronzio e consumo energetico allo spegnimento, tra le altre variabili. Queste caratteristiche offrono ai progettisti la combinazione di una commutazione più rapida e di un controllo di accensione e spegnimento multi-fase più granulare e dinamico, che consentirà loro di soddisfare le crescenti esigenze delle applicazioni SiC.

Un esempio è il controllo dei motori. Quando la velocità di variazione della tensione (dV/dt) è troppo elevata, la durata del motore diminuisce e, di conseguenza, aumentano i costi di garanzia. Finché non saranno disponibili motori ad alta frequenza, l'unico modo per affrontare questo problema con i driver analogici per gate è ridurre la velocità di commutazione del carburo di silicio (SiC), ma ciò diminuisce l'efficienza. Solo con le maggiori capacità di commutazione e la possibilità di configurazione offerte dai driver digitali per gate è possibile regolare con precisione dV/dt per ottenere rapidamente il miglior compromesso possibile. La Figura 1 riassume le differenze tra i driver analogici per gate e la nuova generazione di tecnologia digitale.
Figura 1: Confronto tra un driver analogico per gate tradizionale e due generazioni di tecnologia di driver digitali configurabili per gate.

Soluzioni complete:
un ecosistema SiC completo offre un percorso diretto dalla valutazione alla produzione. Gli elementi chiave includono un core gate driver, schede adattatrici per moduli, un modulo di alimentazione a bassa induttanza SP6LI, hardware di montaggio e connettori per il termistore e la tensione CC. Devono essere forniti kit di programmazione per il software configurabile.
Le schede adattatrici per moduli sono particolarmente importanti. Migliorano la flessibilità consentendo ai progettisti di configurare e riutilizzare rapidamente le tensioni di accensione/spegnimento del gate driver. Ciò è possibile con molti MOSFET SiC di diversi fornitori con una varietà di intervalli di tensione positivi o negativi, senza richiedere una riprogettazione. Questo vale anche se il MOSFET SiC è stato precedentemente utilizzato con un gate driver analogico. La semplice riconfigurazione del gate driver digitale consente ai progettisti di portare immediatamente la soluzione in produzione. Nel frattempo, possono continuare a combinare core gate driver e schede adattatrici per moduli e seguire lo stesso percorso accelerato verso la produzione. I test possono iniziare immediatamente con un modulo di alimentazione a bassa induttanza SP6LI collegato a un laptop e a uno stadio di fase.

La combinazione di soluzioni di gestione dell'alimentazione basate su MOSFET SiC da 1700 V con la tecnologia di azionamento digitale delle porte ha già avuto un impatto considerevole sull'"elettrificazione di ogni cosa", e più specificamente sui veicoli per il trasporto pesante. Ha permesso alla tecnologia SiC di soddisfare le esigenze di conversione di potenza di questi veicoli, migliorandone al contempo l'efficienza e l'affidabilità. Inoltre, la maggiore capacità di commutazione offerta dagli azionamenti digitali configurabili per le porte sta accelerando e semplificando il percorso dalla progettazione alla produzione, creando al contempo nuove funzionalità, tra cui la possibilità di modificare i profili di commutazione in tempo reale in base alle condizioni di applicazione e/o al degrado dei MOSFET SiC.

Integrate in soluzioni di sistema complete, le soluzioni SiC stanno creando un sistema di propulsione per il presente e il futuro in grado di liberare spazio per un maggior numero di passeggeri, consentendo l'utilizzo di APU (unità di potenza ausiliarie) molto più piccole in metropolitane, treni e altri veicoli pesanti elettrificati. Uno dei vantaggi più apprezzati dai progettisti è che l'utilizzo del controllo digitale configurabile del gate con questi dispositivi elimina il laborioso processo di saldatura di resistori di gate su una scheda per modificare i parametri di comportamento. Tutto ciò può ora essere fatto con la semplice pressione di un pulsante, accelerando l'elettrificazione di ogni cosa.

A cura di Nitesh Satheesh, Tomas Krecek, Perry Schugart, Xuning Zhang e Kevin Speer, Microchip Technology