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POWER SIC MOSFETS Progetti di elettronica di potenza: il ruolo dell’efficienza I sistemi elettronici di potenza possono gestire notevoli quantità di energia elettrica, dell’ordine delle decine di MegaWatt, e il progetto delle applicazioni di elettronica di potenza deve tener conto in misura sempre maggiore dei requisiti di efficienza e delle normative. L’efficienza e la densità di corrente sono parametri chiave per poter realizzare le soluzioni caratterizzate da fattori di forma sempre più piccoli richieste dal mercato, in quanto mag- giori livelli di efficienza permettono di diminuire le per- dite di potenza, con conseguente riduzione della necessi- tà di ricorrere a soluzioni di raffreddamento piu’ o meno complessi e onerosi. In misura sempre maggiore, i livelli di efficienza sono oggetto di particolare attenzione a causa del progressivo inasprimento delle normative che regolano le emissioni. I MOSFET, per esempio, sono i componenti fondamentali dei sistemi PDS (Power Drive System) che azionano i mo- tori elettrici. Nella sola Europa, la Commissione Europea ha stimato che sono attualmente in uso circa otto miliar- di di motori elettrici, che consumano circa la metà di tut- ta l’energia elettrica[1] prodotta nel Vecchio Continente. Appare dunque evidente il motivo per il quale l’efficienza elettrica di questi dispositivi sia soggetta a requisiti nor- mativi sempre più stringenti. Se correttamente implementati, i MOSFET SiC assicurano notevoli vantaggi in termini di efficienza e di densità di potenza. Caratterizzati da una maggior compattezza e in grado di operare a frequenze di commutazione più eleva- te, i componenti realizzati in carburo di silicio permetto- no di ridurre le dimensioni complessive del sistema, con tutti i vantaggi che ciò comporta in tutte le applicazioni in cui spazio e peso costituiscono elementi critici, come per esempio i veicoli elettrici (EV). Tuttavia, al fine di sfrut- tare al meglio tutti i potenziali benefici dei MOSFET SiC, è necessario soddisfare in maniera adeguata le esigenze della specifica applicazione ivi compresa la scelta del gate driver considerata mediante una scelta accurata del gate driver (circuito per il pilotaggio del gate) più idoneo. MOSFET SiC: caratteristiche principali Poiché per numerosi sistemi di potenza moderni le di- mensioni complessive e l’efficienza elettrica sono due parametri di fondamentale importanza, il carburo di si- licio si è progressivamente imposto come una tecnologia di riferimento. Essendo un materiale caratterizzato da un’ampia banda (WBG – Wide BandGap), il SiC assicura numerosi vantaggi rispetto al silicio, tra cui elevata con- ducibilità termica, ridotto coefficiente di dilatazione ter- mica, densità di corrente massima più elevata e maggiore conducibilità elettrica. Oltre a ciò, le ridotte perdite di commutazione e le elevate frequenze di funzionamento del SiC assicurano un incremento dei livelli di efficien- za, in particolare nelle applicazioni che richiedono alte correnti, elevata conducibilità termica e operano a tem- perature elevate. Grazie a soglie di tensione dell’ordine della decina di kV, di gran lunga superiori rispetto ai 900 V tipici dei dispo- sitivi in silicio, e a tensioni 7- di rottura (breakdown) cri- tiche più elevate, i dispositivi SiC sono in grado di sup- portare valori di tensioni nominali maggiori pur essendo caratterizzati da uno spessore notevolmente inferiore rispetto alle loro controparti in silicio. Se implementati correttamente, i dispositivi SiC posso- no assicurare notevoli benefici in termini di efficienza e frequenze di commutazione, mentre la loro compattezza permette di ridurre le dimensioni complessive del siste- ma. Si tratta di vantaggi di notevole entità per tutte quel- le applicazioni in cui spazio e peso rappresentano fattori critici, come per esempio i veicoli elettrici, il trasporto ferroviario o le infrastrutture energetiche. I costanti pro- gressi nel campo della tecnologia SiC, che permetteranno di supportare tensioni più elevate e realizzare dispositivi con tensioni nominali di 1.700 V (e superiori), sanciranno la sua superiorità rispetto al silicio tradizionale. Gate driver per MOSFET SiC: considerazioni di progetto Scopo del progetto del circuito per il pilotaggio del gate è assicurare il funzionamento sicuro dei MOSFET utilizzati in un’applicazione di potenza. Tra i fattori da tenere in considerazione nella scelta di un gate driver si possono annoverare i seguenti: -- Capacità di Miller (C DG ) e PTO (Parasitic Turn On) I MOSFET SiC sono soggetti a fenomeni di PTO (Parasitics turn on, false accensioni) a causa della capacità di Miller, C DG , che accoppia la tensione di drain al gate durante gli eventi di commutazione. Quando la tensione di drain au- menta, questa tensione accoppiata può superare per un breve periodo la tensione di soglia del gate, accendendo il MOSFET. I MOSFET sono spesso accoppiati in circuiti come per esempio i convertitori buck sincroni, che pre- vedono MOSFET “high side” e “low side”. In circuiti di questo tipo, il PTO può può dar luogo a fenomeni di sho- ot-through (o conduzione incrociata). Essi si verificano nel momento in cui i MOSFET del ramo superiore (high side) e inferiore (low side) vengono accesi simultanea- mente, dando luogo a corto circuito dal terminale ad alta tensione a massa (GND) attraverso entrambi i MOSFET. L’entità di questo fenomeno di shoot-through dipende dalle condizioni operative dei MOSFET e dal progetto del ELETTRONICA OGGI 521 - OTTOBRE 2024 44