EO Power 33

EO POWER - GENNAIO/FEBBRAIO 2024 X Power Dispositivi di potenza a semiconduttore: una panoramica Fulvio De Santis Questo articolo è una panoramica sui dispositivi di potenza a semiconduttore e sul relativo potenziale applicativo nei sistemi e apparati elettronici in termini di prestazioni alle alte tensioni, alte correnti, densità di potenza e velocità di commutazione L’importanza di un controllo efficace della conversione dell’energia, compresa la produzione di energia da fon- ti energetiche rinnovabili e rispettose dell’ambiente, è aumentata a causa dell’incremento della domanda di energia. I sistemi elettronici di potenza per il controllo e la con- versione dell’energia elettrica sono diventati il cavallo di battaglia della società moderna in molte applicazio- ni, sia in ambito industriale che domestico. L’elettro- nica di potenza gioca un ruolo molto importante nei sistemi di trazione (ad esempio in automotive) e può essere considerata un elemento strategico della robo- tica e dei sistemi di produzione automatizzati. I dispositivi di potenza a semiconduttore sono i com- ponenti elettronici chiave utilizzati nei sistemi elet- tronici di potenza. I progressi nella tecnologia dei se- miconduttori di potenza hanno migliorato l’efficienza, le dimensioni, il peso e il costo dei sistemi elettronici di potenza. Attualmente, i dispositivi IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor), IGBT (Insulated Gate Bi- polar Transistor) e MOSFET (Metal Oxide Semiconduc- tor Field-Effect Transistor) rappresentano i dispositivi di commutazione moderni. I circuiti integrati di po- tenza sono stati sviluppati per i convertitori di poten- za per applicazioni portatili, automobilistiche e aero- spaziali. Inoltre, sono stati introdotti nuovi materiali come SiC (Silicon carbide) e GaN (Gallium nitride), per applicazioni avanzate. I sistemi elettronici di potenza per il controllo e la tra- sformazione dell’energia elettrica sono diventati il fulcro della società moderna in molte applicazioni poiché, in parole povere, l’energia è ovunque. Per esempio, i sistemi elettronici di potenza giocano un ruolo dominante per un uso più efficiente dell’energia elettrica in molti apparecchi, sia nell’industria che in casa. L’uso di convertitori di potenza per azionamenti a velocità variabile comporta risparmi di costi e recuperi energetici del convertitore. Molti dispositivi di potenza a semiconduttore sono stati sviluppati e prodotti a partire dall’invenzione del tiristo- re nel ‘56, che segnò l’inizio dell’era moderna dell’elet- tronica di potenza, ossia la rivoluzione dell’elettronica di potenza a stato solido. L’introduzione del drogaggio per la trasmutazione di neutroni del silicio negli anni 70 ha consentito lo svi- luppo di diodi e tiristori ad alta tensione e l’invenzione dell’IGBT nel ‘85, il primo dispositivo di reale valore com- merciale che combina i vantaggi delle caratteristiche bi- polari e MOS. In 25 anni, l’IGBT ha sistematicamente promosso l’appli- cazione di dispositivi bipolari verso le classi di tensioni e correnti nominali più elevate. I semiconduttori di potenza giocano un ruolo di primo piano nel progresso dell’elettronica di potenza poiché sono essenziali per soddisfare le esigenze in costante crescita in termini di prestazioni, costi e affidabilità. I progressi nella tecnologia dei semiconduttori di poten- za hanno migliorato l’efficienza, le dimensioni, il peso e il costo dei sistemi elettronici di potenza. La riduzio- ne dei costi ha fornito un’importante motivazione per lo sviluppo di migliori dispositivi di commutazione nei convertitori di potenza. I circuiti integrati di potenza sono stati sviluppati come risultato dei recenti progressi nella tecnologia di integra- zione dei circuiti. Ci sono ancora molte sfide legate all’ottimizzazione della realizzazione di dispositivi a semiconduttore di potenza