EO_445

POWER

NEWMATERIALS

- ELETTRONICA OGGI 445 - MAGGIO 2015

Materiali WBG per high power

n possibile scenario futuro è la richiesta di circu-

iti elettronici di potenza destinati a diversi campi

applicativi, quali per esempio industriale, automotive,

illuminazione a LED. Le varie applicazioni richiedono una

gestione accurata della potenza e la scelta dei materiali

fattore determinante per rendere i dispositivi altamente effi-

cienti. I progressi ottenuti nell’impiego di nuovi materiali già

disponibili sul mercato incrementeranno nei prossimi anni la

produzione degli IC High Power.

I dispositivi di potenza devono neces-

sariamente possedere alcuni requisiti:

ottima conducibilità del supporto e,

quindi, basse perdite; struttura effi-

ciente del packaging con relativa ge-

stione del calore nel substrato al fine

di renderlo affidabile nel tempo; la

scelta dei materiali per la realizzazione

del dispositivo. Utilizzando materiali

wide bandgap (WBG) per l’elettronica

di potenza, come il Carburo di Silicio

(SiC) e il Nitruro di Gallio (GaN), si è in

grado di migliorare l’efficienza e quindi

di ridurre l’alto costo dei vari sistemi

elettronici. I materiali WBG possiedono

energia necessaria per eccitare elettro-

ni dalla banda di valenza del materiale

nella banda di conduzione, significati-

vamente maggiore di quella del silicio

che ha un bandgap di 1,1 eV (elettron-

volt), mentre il Carburo di Silicio (SiC)

ha un bandgap di 3,3 eV e il Nitruro di

Gallio (GaN) di 3,4 eV. I valori di band-

gap permettono ai materiali WBG di supportare tensioni e

temperature molto più elevate rispetto al silicio. Di conseguen-

za, rispetto alle tecnologie a base di silicio, i semiconduttori

di questo tipo possono operare a temperature più elevate e

hanno una maggiore durata e affidabilità a tensioni superio-

ri con elevate prestazioni, utilizzando meno energia elettrica.

Una delle maggiori sfide dei designer di veicoli ibridi-elettrici

(HEV) di oggi è la gestione delle alte temperature derivanti dal-

le perdite elettriche connesse con l’elettronica ad alta potenza.

L’aumento della temperatura può peggiorare le prestazioni e

ciò può comportare l’elaborazione della CPU più bassa o ad-

dirittura errata e ridurre, di solito, l’aspettativa di vita media

dei componenti. Tale riduzione delle prestazioni può avvenire

in due categorie: funzione e forma. Sia la funzione sia la for-

ma richiedono un’attenta considerazione dei diversi percorsi

sui materiali, finalizzati a un’efficace gestione e stabilità ter-

mica. Mentre ognuno pone il proprio set unico di problemi di

ingegneria, entrambi possono spesso

essere risolti con una tecnologia dei

materiali efficienti. Materiali WBG po-

trebbero ridurre le perdite di energia

elettrica del 66% durante la ricarica

della batteria nei veicoli elettrici.

Materiali WBG

I materiali semiconduttori WBG (Fig. 1)

garantiscono dimensioni di componen-

ti elettronici di potenza molto piccoli,

più veloci, più affidabili e più efficienti

rispetto alle loro controparti basate sul

silicio (Si).

Inoltre, hanno il potenziale per ridurre

le dimensioni di un trasformatore da un

fattore dieci o più e potrebbero anche

accelerare lo sviluppo di linee elettri-

che DC ad alta tensione, che opereran-

no in modo più efficiente rispetto alle

linee di trasmissione esistenti AC ad

alta tensione. Materiali WBG sono già

utilizzati in grandi data center ad alta

efficienza e in alimentatori compatti per

l’elettronica di consumo. I principali benefici connessi all’ener-

gia possono essere riassunti di seguito:

• riduzione delle perdite: elimina fino al 90% delle perdite di

potenza che attualmente si verificano durante la conversione

AC-DC e DC-AC;

• funzionamento HV (High Voltage): tensione di lavoro superio-

re di circa 10 volte rispetto ai dispositivi basati su Si, miglioran-

do notevolmente le prestazioni in alta potenza;

• funzionamento ad alta temperatura: può operare a tempera-

Maurizio Di Paolo Emilio

I progressi ottenuti nell’impiego di nuovi

materiali già disponibili sul mercato,

incrementeranno nei prossimi anni la

produzione degli IC High Power

Fig. 1 –Materiali semiconduttori con i principali para-

metri, in evidenza quelli WBG