Commutare centinaia di volt e ampere con basse perdite

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Le cosiddette tecnologie a semiconduttori oggigiorno non solo si trovano negli inverter del settore eolico e fotovoltaico, ma vengono impiegate nell’intera elettronica di potenza - dai comandi dei motori agli impianti di saldatura, ai forni a induzione e ai generatori di vuoto fino alla mobilità elettrica e molto altro ancora. Nella prima fase dell’elettronica di potenza erano a disposizione degli sviluppatori solo transistor di potenza bipolari, idonei per tensioni di breakdown fino a 500 V e in grado di commutare correnti di 100 ampere e oltre. Queste prestazioni comunque considerevoli costavano però correnti di pilotaggio davvero elevate per poter contenere le perdite di commutazione con fronti sufficientemente ripidi. Di regola era per questo necessaria sulla base una corrente dal 10 al 20% di quella del collettore. Questa problematica è stata risolta con lo sviluppo dei primi Mosfet di potenza. Il gate dei Mosfet ha una struttura isolata in modo tale che per la carica e la scarica della capacità di gate debbano scorrere solo piccole correnti trascurabili. La perdita di energia sui lati del pilotaggio diminuì in modo notevole. Naturalmente rimasero due fonti di dissipazione già conosciute dai semiconduttori bipolari: le “perdite di commutazione”, dovute alla ripidezza limitata dei fronti durante i cicli di commutazione e le “perdite di conduzione” nello stato conducente del semiconduttore. Mentre le ultime sono definite e quindi in larga misura fissate tramite le specifiche tecniche del Mosfet, la responsabilità principale delle perdite di commutazione è la qualità del pilotaggio, che può essere influenzata dallo sviluppatore per mezzo di idonei principi circuitistici.


Igbt, i vantaggi di Mosfet e di transistor bipolari

Lo svantaggio di elevate perdite di conduzione attraverso il tratto drain-source è stato eliminato dallo sviluppo di Igbt, un misto di Mosfet all’ingresso e di transistor bipolare all’uscita. Gli Igbt sfruttano in modo ottimale i “geni” dei due genitori, in quanto si possono pilotare a bassissima potenza come i Mosfet e nello stato di conduzione presentano la tipica bassa caduta di potenziale fra collettore ed emettitore e sono pertanto in grado di commutare alti potenziali e alte correnti con bassissime perdite.

SiC-Fet, ideali per grandi potenze e alte frequenze

Mentre gli Igbt sono realizzati in silicio monocristallino, nei SiC-Fet viene impiegato il carburo di silicio. Questo materiale presenta un punto di fusione più elevato e consente strati isolanti sul gate decisamente più sottili. Ciò migliora la conducibilità termica e consente una densità di potenza superiore. Le perdite di commutazione dei SiC-Fet sono di almeno un fattore 4 inferiori rispetto a quelle degli Igbt - un vantaggio che si sfrutta soprattutto nell’intervallo superiore di potenza e per elevate frequenze di commutazione. A causa dei costi superiori i SiC-Fet nel prossimo futuro domineranno però soprattutto il settore ad alte prestazioni e non potranno sostituire gli Igbt sul mercato di massa.

Convertitori Dc/Dc isolati, l’alimentazione ideale

Come inizialmente accennato le perdite di commutazione vengono determinate in modo decisivo dalla qualità del pilotaggio. Occorre perciò prestare particolare attenzione al driver del gate e alla sua alimentazione. Poiché i driver sono accoppiati direttamente agli alti potenziali degli Igbt o dei SiC-Fet, i segnali d’ingresso e la tensione di alimentazione dei CI dei driver devono essere molto ben isolati. Ciò si può realizzare in modo molto comodo con l’impiego di convertitori Dc/Dc isolati. I comuni moduli dei driver vengono pilotati in modo asimmetrico con tensione positiva e negativa. Tra l’altro i driver degli Igbt e quelli dei SiC-Fet si differenziano per quanto riguarda l’intensità delle tensioni necessarie. Per gli Igbt nelle schede tecniche viene citata una tensione di soglia di +3 V. Per un collegamento rapido e pulito nella pratica sono però necessari +15 V. Per una disattivazione sicura è però persino necessario, a causa dell’elevata sollecitazione dV/dt, applicare al gate una tensione negativa. In tal modo si evita una riattivazione indesiderata. Nella pratica si è imposto come sicuro un valore di -9 V. Per l’alimentazione di driver Igbt sono perciò necessari driver con tensioni di +15 V e  9 V. Per i SiC-Fet si ha invece una situazione diversa. La sua soglia di attivazione è da +1 a +2 V. Per mantenere a basso livello le perdite di conduzione Rds(on) è ragionevole una tensione gate/source di +20 V. Se con gli Igbt ci si accontentasse dei comuni +15 V le perdite Rds(on) sarebbero fino al 30% superiori! Per una disattivazione sicura si è dimostrato valido un valore di -5 V. Una tensione negativa superiore provocherebbe un cambiamento dei parametri gate/source e comprometterebbe in tal modo la stabilità.

Alto dv/dt e barriera d’isolamento

L’isolamento di un convertitore Dc/Dc si può immaginare come una diga dimensionata per un determinato livello massimo. Se questo è superiore al livello di una mareggiata, la diga resisterà alle onde. Se verrà invece superato in alcuni punti, prima o poi si potrà rompere. Nello stesso modo si comporta l’isolamento di un convertitore Dc/Dc. Alte frequenze di commutazione - per Igbt generalmente da 10 a 50 kHz, per SiC-Fet in genere >50kHz - e fronti ripidi significano uno stress permanente per i componenti isolanti del sistema. In particolare in coincidenza con la commutazione di capacità e induttanze parassite nascoste è possibile che si verifichino picchi di tensione che sollecitano l’isolamento di un convertitore fino al limite. Non esiste una formula magica che permetta di stabilire in modo esatto l’intensità dei picchi di tensione e pertanto l’aspettativa di vita del sistema. Anche la tecnica di misura può dare un aiuto limitato, in quanto le capacità già ridotte nelle sonde di misura di un oscilloscopio alterano il risultato della misura. Per esempio un picco di tensione misurato di 2 kV in verità - vale a dire senza l’effetto della sonda di misura dell’oscilloscopio - potrebbe essere il doppio. Non si può mai essere sicuri. Chi si fida della misura e impiega un convertitore con un isolamento insufficiente rischia a lungo termine l’affidabilità del proprio prodotto. Perciò nel dimensionamento di interruttori di potenza rapidi gli sviluppatori tendono a programmare sufficienti riserve di sicurezza e a impiegare convertitori con il migliore isolamento possibile.

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