Elettronica_Oggi

POWER 8 - giugno 2015

Power

PSM

plicazioni in commutazione per alta tensione e corren-

te sono certamente gli IGBT (Insulated Gate Bipolar

Transistor). Affinché tali componenti possano presen-

tare una bassa resistenza nello stato di conduzione,

è necessaria una iniezione di portatori minoritari; a

causa di questa presenza però, il loro spegnimento ri-

chiede un tempo abbastanza lungo, poiché i portatori

minoritari iniettati per i motivi legati all’aumento della

conduzione si dovranno ricombinare. Tale processo è

accompagnato dalle perdite introdotte, per il fatto che

durante lo spegnimento del dispositivo questi porta-

tori producono una “coda” sul profilo della corrente,

coda che dovrà essere dissipata.

I MOSFET sono dispositivi di tipo unipolare, a cariche

maggioritarie, e non generano di per sé code di cor-

rente; inoltre, se vengono realizzati in silicon carbide

riescono a combinare le varie caratteristiche positive

che sono richieste per le applicazioni switching, ossia

una elevata tensione di lavoro e una più bassa resisten-

za Rds nello stato di conduzione, alla possibilità di in-

nalzare la frequenza di commutazione. Oltre a ciò il

SiC aggiunge la grande potenzialità di poter lavorare

ad alta temperatura; in particolare, se i componenti

realizzati con questo nuovo semiconduttore vengono

adeguatamente corredati dell’opportuno package,

possono riuscire a operare fino a temperature di 200

°C. Si prevede in futuro di riuscire ad andare anche ol-

tre tale limite anche per queste tipologie di componen-

ti. Anche per i SiC MOSFET sono presenti dispositivi

con tensioni di lavoro che vanno tra i 600V e i 1200V,

ma anche per essi sta per essere resa disponibile della

componentistica con tensione di lavoro fino a 1700V.

In figura 3 sono mostrati alcuni dispositivi già dispo-

nibili sul mercato. Per quel che concerne gli inverter

trifasi orientati al controllo motore e anche per appli-

cazioni nel solare e nell’eolico, si stanno affermando

power moduli intelligenti (IPM), dotati di circuiti dri-

ver, protezioni e feedback di temperatura, in cui i sei

dispositivi di potenza vengono realizzati da SiC MOS

che vanno a sostituire i tradizionali IGBT o MOS; l’e-

voluzione descritta consente la gestione di correnti di

fase dell’ordine di 100A e oltre, in case assolutamente

ristretti.

Nei SiC MOSFET la modesta transconduttanza (si ri-

corda che la mobilità dei portatori è minore del silicio)

richiede tensioni di pilotaggio Vgs di circa 20V, al fine

di ottimizzare le performance ed evitare desaturazioni

potenzialmente pericolose per i dispositivi stessi.

Nonostante i vantaggi del carburo di silicio derivanti

dalle proprietà elettro-termiche migliorative, il suo

impiego presenta ancora alcuni aspetti che al momen-

to appaiono limitanti a uno sviluppo massivo e questi

sono correlati con le sue caratteristiche chimico-fisi-

che; in particolare, l’elevata stabilità del legame Si-C

(covalente per l’88%) impone la necessità di alte tem-

perature di processo, per poter eseguire le varie fasi di

accrescimento durante le quali possono essere richie-

ste temperature fino a 2000 °C; tale aspetto si riflette

inevitabilmente sui costi di produzione, facendoli ine-

sorabilmente lievitare.

Infine, la notevole durezza presentata dai substrati ten-

de a mantenere basso il coefficiente di diffusione delle

specie droganti (sia N sia P) all’interno del substrato

stesso, lasciando per il momento la crescita di tipo epi-

tassiale e la impiantazione ionica quali uniche tecniche

percorribili ed efficaci, ma più costose di altre, al fine

di poter raggiungere il corretto profilo di drogaggio

all’interno del semiconduttore stesso.

Fig. 3 – Alcuni dispositivi di tipo SiC MOSFET già commercializzati