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XXV POWER 25 - MAGGIO 2021 WIDE BANDGAP SEMICONDUCTOR resistenza di conduzione per una data area di die e a una tensione nominale più contenuta, con conseguen- te riduzione delle perdite. Inoltre, il SiC è caratterizzato da una conduttività termica tre volte superiore a quella del silicio, consentendo di utilizzare die più contenuti a fronte dello stesso intervallo di temperatura. Sia il SiC che il GaN presentano comunque temperature massime di esercizio molto più elevate rispetto al silicio, limitan- do lo stress termico. Silicio, SiC e GaN – perdite di commutazione Per un convertitore è sempre auspicabile un’elevata fre- quenza di commutazione. Infatti, i componenti associati, in particolare i dispositivi magnetici, possono essere più piccoli con conseguenti risparmi in termini di dimensio- ni, peso e costi. Tuttavia, in tutti i dispositivi le perdite di commutazione scalano direttamente con la frequenza. A causa della perdita di potenza dovuta alla “corrente di coda”, agli snubber necessari e ai cicli di carica e scarica delle grandi capacità parassite presenti nel dispositivo, raramente gli IGBT vengono utilizzati sopra i 20 kHz. I Si-MOSFET possono commutare a centinaia di kHz ma l’energia dissipata, EOSS, nella circolazione della cor- rente diventa un fattore limitante all’aumentare della frequenza. SiC e GaN, tuttavia, presentano una velocità di saturazione elettronica molto più elevata e capacità parassite molto più basse, quindi possono commutare ad alta velocità con basse perdite. Altrettanto importanti sono le caratteristiche dei dispo- sitivi nel “terzo quadrante” – cioè quando il canale di conduzione è polarizzato inversamente, come accade nelle applicazioni di “hard switching” e quando avviene la commutazione negli inverter (Fig. 2). Gli IGBT non conducono in senso inverso, quindi è necessario un diodo antiparallelo, che deve essere del tipo a recupero rapido con una bassa caduta di tensione. I MOSFET Si e SiC prevedono diodi body intrinseci molto veloci ma possono condurre inversamente attraverso i loro canali con basse perdite e nessun effetto di recupero inverso quando vengono attivati tramite i loro gate. Tuttavia, qualsiasi “tempo morto” (quando il canale è polarizzato inversamente ma non è impostato su ON tramite il gate), innesta la conduzione del diodo body, con una significa- tiva perdita di potenza a causa della caduta di tensione diretta relativamente elevata. Gli switch GaN sono confi- gurati come HEMT (High Electron Mobility Transistor) e non presentano diodi body. Come i MOSFET, i loro canali possono condurre inversamente ma è presente anche un effetto “diodo body” attraverso il canale du- rante qualsiasi tempo morto, con una caduta di tensione approssimativamente uguale alla tensione di soglia del gate: circa 2 V. Anche questo può causare dissipazione, a meno che il canale sia su ON. Implementazione pratica dei dispositivi SiC e GaN Le tensioni operative massime rappresentano una con- siderazione fondamentale per le diverse tecnologie di commutazione; il livello massimo dei Si-MOSFET ad alta potenza è di circa 950 V; per gli HEMT GaN è di 600 V mentre per i MOSFET SiC è di circa 1.700 V. Gli IGBT sono ancora dominanti a tensioni molto elevate, sebbene in alcune topologie i MOSFET possano essere “stratificati” per ridurre lo stress da tensione. Quando si verifica una sovratensione, IGBT e MOSFET presentano una modalità di protezione a valanga con valori nomina- li di energia dipendenti dal dispositivo. Gli HEMT GaN non prevedono modalità a valanga, quindi fisicamente si guastano in modo catastrofico in caso di sovratensione. I produttori di dispositivi GaN assicurano che vi sia un ampio margine tra le tensioni nominali riportate nel da- tasheet e le tensioni massime assolute. Le configurazioni ottimali di pilotaggio del gate sono abbastanza diversificate in base alle tecnologie. Gli IGBT in silicio hanno gate isolati ma presentano un’alta carica totale di gate che richiede una potenza di polarizzazio- ne significativa che scala direttamente con l’oscillazione della tensione di gate e la frequenza. Ciò comporta il fat- to che i dispositivi più grandi necessitano di diversi watt a frequenze di commutazione realistiche. I MOSFET in silicio implicano cariche di gate e requisiti di potenza di polarizzazione molto inferiori e, come gli IGBT, pre- sentano una tensione di soglia di gate di circa 10V per il completo “arricchimento”. La tensione di gate massima assoluta è tipicamente pari a +/- 25 V. Per interdire il dispositivo, il gate viene spesso portato a una tensione negativa, fino a -12 V circa. Questo per contrastare gli effetti della capacità di Miller e di qualsiasi induttanza nella connessione source/ emettitore, effetti parassiti che tendono entrambi a generare transitori che si op- pongono al pilotaggio del gate in stato OFF (Fig. 3). SiC e GaN, in particolare, presentano una carica totale di gate estremamente bassa e requisiti di potenza di pi- lotaggio insignificanti. Tuttavia, i gate SiC devono essere portati a circa 20 V per un arricchimento completo, cioè Fig. 2 – Un convertitore buck sincrono a commutazione forzata costringe il diodo body D a condurre durante i tempi “morti”