EO Power 33

EO POWER - GENNAIO/FEBBRAIO 2024 XI POWER SEMICONDUCTOR e dei sistemi integrati per nuove applicazioni emergenti. L’innovazione nel settore dei semiconduttori di potenza richiede uno sforzo multidisciplinare concertato da par- te dei fisici, ingegneri, tecnologi, progettisti di circuiti e utenti finali. Gli obiettivi più importanti nell’attuale ricerca e sviluppo sono: -- interruttori migliorati: maggiore tensione di blocco, maggiore densità di corrente, più alta frequenza di commutazione, facilità di controllo; -- integrazionedi circuiti logici edi potenza inunsingolo chip con applicazioni crescenti nell’area di gestione dell’alimentazione, automotive, telecomunicazioni, fornitura di energia e così via; -- miglioramenti nell’affidabilità con soluzioni realizzative e tecnologiche dei dispositivi; -- migliore gestione termica e packaging. Gli sforzi per migliorare i dispositivi a semiconduttore di potenza rispetto all’attuale stato dell’arte sono, in ultima analisi, alimentati dall’aumento dei costi, poiché l’elevata affidabilità è oggi data per scontata. La riduzione dei costi può essere ottenuta essenzialmente mediante: -- minor costo dei componenti, ovvero maggiore corrente di uscita per una data area applicativa del dispositivo; -- riduzione del numero di componenti. Nel campo dell’alta tensione, in sostanza ciò significa dispositivi più grandi e/o tensioni più elevate per dispositivo; -- riduzione dei costi e degli ingombri dell’intero sistema elettronico di potenza, ovvero del sistema di raffreddamento, del gruppo filtrante, della struttura meccanica e di tutte le parti ausiliarie. Il silicio come materiale di partenza consolidato da oltre 50 anni soddisfa già questi requisiti. Tuttavia, per alcune applicazioni, i materiali come SiC e GaN offrono il poten- ziale per superare sia i limiti di temperatura che i limiti di gestione dell’alimentazione. Diodi di potenza Un diodo di potenza ha una struttura P-I-N rispetto al diodo a giunzione P-N. Lo strato “I” della struttura P-I-N è il semicondutto- re intrinseco che deve sopportare la tensione inversa di alto livello rispetto al diodo PN. Il confronto fra il diodo PN e il diodo PIN è schematizzato nella figura 1. Il diodo di potenza PIN e il diodo PN hanno lo stesso simbolo I diodi sono un componente essenziale nelle applica- zioni dell’elettronica di potenza. I diodi sono prodotti in una gamma molto ampia di tensioni inverse e cor- renti dirette. I diodi a singolo wafer di silicio sono in grado di bloccare più di 10 kV in un ampio intervallo di temperature e sono in grado di condurre più di 4.000 A. Nelle applicazioni, i diodi vengono utilizzati per la ret- tifica incontrollata. Nelle applicazioni switching ad alta frequenza e ad alta potenza, c’è la necessità di diodi di potenza veloci con un breve reverse recovery time, unitamente ad una bas- sa dissipazione di potenza operativa e alta tensione di rottura. I principali obiettivi di progettazione includono anche un comportamento di recupero soft della com- mutazione. Dispositivi di commutazione a semiconduttore L’interruttore ideale dovrebbe sopportare una tensione molto elevata nello stato OFF, resistenza molto bassa nello stato ON, tempi di accensione e spegnimento mol- to brevi (prossimi a zero), dissipazione di potenza di ac- censione e spegnimento molto bassa. L’interruttore do- vrebbe avere un solo gate, un facile controllo e dovrebbe andare nello stato OFF senza un segnale di controllo. Nelle strutture di dispositivi di potenza a semicondut- tore reali, l’alta tensione di blocco è collegata all’esi- stenza di una spessa regione di carica spaziale (o strato di svuotamento, in inglese noto come depletion layer) nella giunzione PN che si diffonde con l’aumentare del- la tensione in un’area a basso drogaggio della struttura. Una rottura della giunzione PN si verifica se il campo elettrico nello strato di svuotamento raggiunge il suo valore critico. Lo spessore della struttura aumenta con l’aumentare della tensione di blocco. Per ottenere un’elevata ten- sione di rottura è necessaria una perfetta terminazione superficiale della giunzione. Fig. 1 – Diodo PN e diodo PIN