Di recente, il carburo di silicio (SiC) ha visto una crescente adozione nei trasporti pubblici, negli alimentatori ausiliari, nei caricabatterie e nei sistemi di propulsione, ognuno dei quali richiede un raffreddamento ottimizzato, una maggiore efficienza e dimensioni ridotte. Un fattore comune è la crescente necessità di dispositivi ed ecosistemi ad alta larghezza di banda per applicazioni ad alta tensione.
Perché la banda larga?
Questo articolo si concentra sulle tecnologie che facilitano l'elettrificazione sostenibile dei trasporti, aiutando i progettisti di sistemi ad adottare il SiC in modo semplice, rapido e sicuro.
La pandemia ha messo a nudo le politiche energetiche di diverse nazioni: alcuni paesi dipendono fortemente dall'energia nucleare, mentre altri stanno investendo nelle energie rinnovabili, come il solare e l'eolico, o in fonti non rinnovabili.
Qualunque sia la fonte, è importante utilizzare l'energia in modo sostenibile. L'anno scorso, i produttori di apparecchiature originali hanno presentato una soluzione a zero emissioni con treni a celle a combustibile, mentre altri si sono cimentati con i sistemi ibridi.
Dal punto di vista dell'elettronica di potenza, la scelta tra un sistema completamente elettrico o ibrido determinerà la tensione di rottura del semiconduttore di potenza. Microchip offre una solida gamma di semiconduttori di potenza SiC da 700 V a 3300 V, insieme a driver di gate ottimizzati per ottenere le massime prestazioni da questi dispositivi.
Concentrarsi sull'efficienza:
per qualsiasi sistema, l'efficienza è definita come potenza di uscita/potenza di ingresso; la differenza tra le due viene dissipata sotto forma di calore. In un semiconduttore di potenza, due fattori contribuiscono alle perdite: conduzione e commutazione.
I semiconduttori di potenza che trasportano corrente sono chiamati transistor bipolari a gate isolato al silicio (IGBT), che presentano una componente di perdita di commutazione più elevata. I MOSFET al SiC, d'altra parte, possono essere accesi e spenti molto più velocemente, con conseguente drastica riduzione delle perdite di commutazione. 
Figura 1: Confronto di diverse tecniche di controllo del gate
Ma è questo il massimo che si può ottenere dal SiC? A quanto pare no. Con le tecniche di controllo digitale del gate, come la commutazione aumentata, le perdite possono essere ulteriormente ridotte.
Miglioramento delle prestazioni con SiC e commutazione avanzata:
è stato condotto uno studio comparativo in cui è stato testato un modulo di potenza SiC in un package industriale standard (62 mm). Sono stati modificati solo i driver di gate, mentre tutti gli altri parametri sono rimasti invariati. Uno dei driver di gate utilizzava una tecnologia di commutazione avanzata, mentre l'altro era un driver analogico convenzionale che utilizzava resistori di gate per controllare dv/dt e di/dt. L'analisi è presentata con una funzione di costo sviluppata dall'Università dell'Arkansas [2].
L'analisi del fronte di Pareto viene presentata utilizzando la seguente equazione per la barra dei colori.
Fattore di ponderazione α=0,5, β=0,5; α +β =1, dove α è la perdita di commutazione e β è la sovratensione di corrente Id nello stato di conduzione o la sovratensione di tensione Vds nello stato di interdizione.
Minore è la funzione di costo, migliori sono le prestazioni complessive del dispositivo SiC.
Impostazioni dei passaggi aumentati per le migliori prestazioni
Passaggio di accensione: 0,5 V 40 ns
Passaggio di spegnimento 1: 3,5 V 240 ns
Passaggio di spegnimento 2: 1,5 V 240 ns
La linea rossa in entrambi i grafici rappresenta il valore di riferimento ottenibile utilizzando un approccio analogico e modificando solo le resistenze di gate. Potrebbero esistere altri valori di resistenza di gate che definiscono meglio la curva, ma in base alla nostra analisi di 10 valori, riteniamo che l'estrapolazione qui presentata sia accurata.
Attiva i risultati
Il grafico seguente rappresenta la sovratensione di corrente in ampere in funzione della perdita di potenza di commutazione in millijoule.
Le prestazioni migliori si ottengono con l'impostazione di commutazione aumentata a 0,5 V 40 ns e Rg(on) di 0,5 Ω, con una riduzione dell'8% della sovratensione di corrente e una riduzione del 25% di Eon, rispetto all'utilizzo di un controller analogico con Rg(on) di 1,1 Ω.
Un picco di corrente più elevato di solito si traduce in un rapporto di ronzio e di/dt più alti, che potrebbero interagire con altre aree del sistema.
Risultati di spegnimento:
I risultati di spegnimento sono interessanti in quanto i risultati ottenuti con la commutazione aumentata sono più vicini a quelli ottenuti con un semplice controllore analogico con resistori di gate. In un sistema in cui la tensione operativa nominale del collegamento CC era di 750 V e la massima di 800 V, è stato utilizzato un dispositivo a semiconduttore da 1200 V, lasciando un margine di sovratensione di 400 V. Quando si applicano questi vincoli, diventa chiaro che l'utilizzo della commutazione aumentata fornisce risultati significativamente migliori. Il miglior compromesso si ottiene utilizzando la configurazione di commutazione aumentata di 3 V 240 ns, 1,5 V 240 ns e Rg(off) di 1,1 Ω, con conseguente riduzione del 10% dell'overshoot di Vds e del 14% di Eoff rispetto all'utilizzo di un driver analogico con una Rg(off) di 4,7 ohm.
Figura 4 Confronto della disconnessione utilizzando un eccitatore analogico con controllo Rg rispetto a un eccitatore di gate digitale con commutazione aumentata.
Riduzione del ronzio:
i grafici sopra riportati mostrano le perdite di commutazione in funzione della corrente o della sovratensione e forniscono una panoramica di ciò che si può ottenere regolando i driver di gate. Un ulteriore vantaggio derivante da una maggiore frequenza di commutazione è la riduzione delle oscillazioni a Vds e Vgs. Ciò può essere ottenuto controllando la pendenza di commutazione all'accensione e allo spegnimento. Il metodo e i vantaggi saranno esplorati in dettaglio in un altro articolo.
Controllo del dv/dt nei sistemi di propulsione.
Nelle applicazioni che richiedono dispositivi a banda larga per azionare i motori, un parametro critico è il dv/dt durante la commutazione. Un dv/dt elevato può danneggiare gli avvolgimenti del motore, quindi è importante limitarlo.
Con un driver di gate analogico, ciò si ottiene aumentando Rg(on), a costo di maggiori perdite di commutazione.
Sembra esserci una forte correlazione tra l'induttanza del package SiC e i risultati di questa analisi comparativa in corso.
Abstract:
L'utilizzo di MOSFET in SiC comporta significativi miglioramenti in termini di efficienza, come illustrato nella Figura 1. L'efficienza può essere ulteriormente incrementata mediante l'impiego di una commutazione potenziata.
Nel nostro caso di studio, nelle stesse condizioni operative, la commutazione potenziata ha dimostrato di ridurre le perdite di commutazione totali del 12% rispetto a un controllore analogico.
Figura 5 IGBT vs SiC vs SiC con commutazione aumentata
AUTORI: Nitesh Satheesh - Ingegnere tecnico e Vipin Gaonkar - Ingegnere senior, Microchip Technology India Pvt Ltd
