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XXV POWER 24 - GENNAIO/FEBBRAIO 2021 COMPOUND SEMI- CONDUCTORS determinandone la tipologia di applicazioni. La mobilit à degli elettroni nel GaN è pari a 2.000 cm^2/Vs, mentre quella del silicio è di 1.500 cm^2/Vs. Notevolmente in- feriore è invece la mobilit à degli elettroni nel SiC, che è di circa 650 cm^2/Vs, un valore che rende questo mate- riale meno adatto per l’uso in applicazioni di commuta- zione a elevata velocit à . Il GaN, dal canto suo, grazie a una mobilit à degli elettroni tre volte superiore rispetto a quella del SiC, risulta adatto per il funzionamento a frequenze di commutazione più elevate. Vantaggi tecnici dei dispositivi WBG La conduttivit à termica è un’altra caratteristica fisica che influisce sulle applicazioni di azionamento di motori e di conversione di potenze elevate. Il calore generato all’in- terno del dispositivo deve essere smaltito nella maniera più efficiente possibile. La conduttivit à termica fornisce un’indicazione della capacit à del materiale di condurre il calore attraverso se stesso. In questo caso la conducibi- lit à termica dell’arseniuro di gallio è leggermente infe- riore a quella del silicio, mentre quella del carburo di silicio è tre volte migliore: quest’ultimo materiale risulta quindi particolarmente adatto per applicazioni dove sono previste temperature elevate. Un riassunto delle ca- ratteristiche di silicio, Gan e SiC è riportato in figura 1. Un’altra importante caratteristica dei semiconduttori composti ad ampio bandgap è il valore della loro resisten- za di conduzione (Rds (on) ), che risulta nettamente infe- riore rispetto a quello dei MOSFET realizzati in silicio: ciò si traduce in una sensibile riduzione delle perdite di com- mutazione nelle applicazioni di conversione di potenza. Altre perdite di commutazione di minore entit à si verifi- cano nei componenti passivi – come induttori, trasforma- tori e condensatori – utilizzati nei convertitori di potenza. Dal punto di vista della realizzazione fisica, i dispositi- vi in GaN e SiC risultano più piccoli e leggeri rispetto alle loro controparti in silicio, permettendo lo sviluppo di dispositivi a semiconduttore più compatti. Grazie alle ridotte dimensioni del chip, l’impatto delle capacit à in- terne del dispositivo è inferiore, consentendo il funzio- namento a frequenze di commutazione più elevate. Per dare un’idea, l’area del chip di un MOSFET in silicio è circa cinque volte superiore rispetto a quella di un MO- SFET in carburo di silicio a parit à di intervallo di tensio- ne operativa. Grazie ai vantaggi appena sopra delineati, i dispositivi realizzati con semiconduttori ad ampia bandgap rappre- sentano la soluzione ideale per applicazioni di aziona- mento di motori e di conversione di potenza. Tali vantag- gi sono correlati tra di loro e insieme contribuiscono allo sviluppo di applicazioni finali più compatte, affidabili ed efficienti dal punto di vista energetico. Le differenze tra nitruro di gallio e carburo di silicio forniscono inoltre un’utile indicazione sul tipo di materiale da adottare per una determinata applicazione. A esempio, come gi à se- gnalato in precedenza, grazie alla migliore conducibilit à termica il carburo di silicio è più adatto all’impiego in sistemi che devono operare a temperature elevate. La possibilit à di utilizzare frequenze di commutazione più elevate per i circuiti realizzati in GaN e SiC permette di ricorrere a induttori e condensatori di dimensioni in- feriori, con conseguente riduzione sia dell’occupazione di spazio sulla scheda PCB sia dei costi della BoM (Bill of Material). Dispositivi WBG per la conversione di potenza: alcuni esempi I dispositivi WBG sono disponibili in varie tipologie, che differiscono in termini di package, tecnologie di proces- so e valori nominali di tensioni e sono prodotti da alcu- ni tra i maggiori protagonisti dell’industria elettronica come a esempio Infineon , STMicroelectronics e Rohm . Oltre ai dispositivi, i costruttori mettono a disposizione schede di valutazione e design di riferimento che per- mettono di ridurre drasticamente i tempi richiesti per la prototipazione e lo sviluppo del prodotto finale. Infineon propone dispositivi di tipo sia SiC sia GaN con le famiglieCoolSiC e CoolGaN. Un esempio di prodotto della serie CoolSiC è il MO- SFET SiC in tecnologia Trench da 1.700 Volt. Ottimizza- to per l’uso in topologie di conversione flyback, questo dispositivo è caratterizzato da perdite di commutazione estremamente ridotte ed è compatibile con la maggior parte dei circuiti integrati per il pilotaggio dei controllo- ri a 12 V. Il MOSFET è ospitato in un package TO-263 7L a montaggio superficiale con una distanza di creepage (superficiale) tra drain e source di 7 mm, caratteristica questa che consente di ottenere rapidamente la confor- mit à agli standard di sicurezza del prodotto finale. Un pin di source (per il pilotaggio) separato contribuisce a ridurre l’oscillazione del gate prodotta dall’induttanza parassita dell’anello di gate. Fig. 1 – Confronto delle proprietà fisiche ed elettriche dei materiali WBG (carburo di silicio e nitruro di gallio) rispetto al silicio (Fonte: Mouser)