È arrivata l’era del carburo di silicio

I vantaggi, in termini di prestazioni, del carburo di silicio, un materiale ad ampio bandgap sono ben noti ai progettisti di sistemi di potenza ad alta tensione. Per contro gli svantaggi legati ai prodotti stessi e alla relativa supply chain sono stati considerati in passato abbastanza seri da dissuadere alcuni progettisti ad assumersi il rischio di utilizzare componenti realizzati in carburo di silicio nei convertitori di potenza a commutazione. Un distributore come Future Electronics si trova nella posizione privilegiata da cui osservare la rapida evoluzione che sta avvenendo in un mercato in crescita come quello dei Mosfet SiC. Da questo osservatorio, appare ora evidente che gli svantaggi dei prodotti SiC standard che finora ne hanno scoraggiato l’adozione sono stati del tutto eliminati. In ogni caso non bisogna dimenticare che l’utilizzo di un Mosfet SiC in circuiti di potenza per i quali storicamente sono stati impiegati Igbt o Mosfet in silicio richiede, come sarà spiegato in questo articolo, un ripensamento dell’approccio utilizzato per la progettazione. Rispetto a due o tre anni fa, i Mosfet SiC hanno fatto registrare enormi progressi in termini di disponibilità, affidabilità e accessibilità in termini economici. I progettisti più intraprendenti, ovvero quelli disposti a mutare il proprio punto di vista nei confronti dei componenti da utilizzare per la realizzazione di sistemi ad alta tensione possono trarre sensibili vantaggi dall’adozione dei dispositivi SiC rispetto all’uso dei tradizionali Igbt o Mosfet in silicio.

SiC: è ora di uscire allo scoperto

Finora l’utilizzo dei Mosfet SiC è stato confinato ad ambiti abbastanza ristretti, ovvero per la realizzazione di tipologie di prodotti per i quali caratteristiche quali efficienza, densità di potenza e peso ridotto, oppure funzionamento a elevate temperature, risultavano particolarmente critiche. Per queste ragioni, i Mosfet SiC sono ampiamente utilizzati in applicazioni quali inverter per sistemi di generazione di energie da fonti rinnovabili; apparecchiature per foratura profonda; aeromobili; sistemi di riscaldamento a induzione. I requisiti specifici di queste applicazioni permettono di evidenziare i punti di forza dei semiconduttori di potenza SiC.

  • Perdite di conduzione e commutazione estremamente basse - La quasi totale assenza della carica di recupero inversa che caratterizza un Mosfet SiC contribuisce in modo significativo al miglioramento dell’efficienza di conversione. I Mosfet SiC, inoltre hanno una on-resistance che non solo è inferiore rispetto a quella dei loro equivalenti in silicio, ma risulta anche molto più stabile al variare della temperatura.
  • Elevata frequenza di commutazione - La possibilità di operare a frequenze massime fino a 10 volte superiori rispetto a quelle di un Igbt, a parità di tensione nominale, si traduce nel fatto con i Mosfet SiC è possibile utilizzare condensatori e induttori più piccoli, consentendo al progettista di ridurre dimensioni e peso del sistema
  • Alta conduttività termica - Grazie a questa caratteristica è possibile utilizzare dissipatori più piccoli, un ulteriore contributo alla riduzione di peso e dimensioni.
  • Funzionamento a temperature elevate - Ciò garantisce un maggior spazio di manovra al progettista nello sviluppo del sistema per la gestione termica e ancora una volta può consentire l’uso di dissipatori di dimensioni inferiori

Nonostante la sostanziale superiorità, dal punto di vista delle caratteristiche fisiche, del carburo di silicio rispetto al silicio, la quota detenuta dai dispositivi SiC nel mercato dei transistor di potenza è piccola: ciò è molto probabilmente dovuto al perdurare dello scetticismo di molti progettisti in relazione ai tre fattori citati all’inizio dell’articolo: disponibilità, affidabilità e prezzo. Si tratta in ogni caso di dubbi che, in passato, poggiavano su solide basi: per i Mosfet SiC fino a non molto tempo fa questi problemi erano reali. Su tutti e tre i fronti la situazione è notevolmente migliorata e ora si può affermare che gli ostacoli che frenavano l’adozione di questi componenti sono stati eliminati.

Un’ampia base di approvvigionamento

Prima del 2010, Cree era l’unica azienda a produrre wafer SiC in elevati volumi. Ciò chiaramente significava che la supply chain per i Mosfet SiC incapsulati nel relativo package era ridotta e volatile. Oggi la situazione è radicalmente cambiata: parecchi produttori di semiconduttori si sono dedicati alla produzione “in-house” di wafer SiC tra cui, in Europa, Rohm Semiconductor e STMicroelectronics, oltre a ON Semiconductor e Littelfuse. Contemporaneamente, è drasticamente diminuita la volatilità per quanto riguarda la fornitura. In passato, un solo settore di mercato, precisamente quello degli inverter per apparecchiature destinate alla generazione di energia fotovoltaica, assorbiva la quasi totalità della produzione, lasciando il poco che restava a disposizione degli altri settori interessati. Ciò significava che era molto difficile prevedere su base mensile se il prodotto fosse disponibile per l’acquisto. Grazie all’ingresso di più fornitori nel mercato del carburo di silicio, si è assistito a un sostanziale incremento del tasso di produzione dei wafer SiC, per cui ora il settore degli inverter assorbe una quota percentualmente inferiore della produzione totale. Di conseguenza è ora disponibile in qualsiasi momento una quantità non allocata di Mosfet SiC standard pronta per l’acquisto presso distributori come Future Electronics che si sono impegnati in questo settore.

Miglioramento dell’affidabilità

Un altro motivo che ha frenato l’utilizzo dei Mosfet SiC era legato ai numerosi report che evidenziavano la scarsa affidabilità dei dispositivi SiC rispetto agli analoghi componenti realizzati in silicio. Questa preoccupazione era giustificata nei primi anni della produzione di tali dispositivi. Nell’ultimo quinquennio i produttori hanno investito notevoli risorse per implementare processi di collaudo e validazione sofisticati ed efficaci che permettono di identificare componenti potenzialmente difettosi in modo da impedire il loro ingresso nella catena di approvvigionamento. I produttori di dispositivi SiC rendono ora liberamente disponibili sul web report dettagliati relativi ai test per il controllo della qualità effettuati. In questo modo gli utenti hanno la garanzia che la qualità e l’affidabilità dei Mosfet SiC sono del tutto equiparabili a quelle di qualsiasi altro dispositivo equivalente realizzato in silicio.

Costo unitario e di sistema

Il terzo ostacolo all’adozione dei dispositivi SiC, ovvero il costo, è stato in parte superato grazie all’ampliamento della catena di fornitura. Un maggior equilibrio tra domanda e offerta ha contribuito a ridurre la pressione sul costo unitario dei Mosfet SiC. L’aspetto più significativo, comunque, è rappresentato dal fatto che i produttori di dispositivi SiC hanno iniziato a utilizzare wafer di maggiori dimensioni. Oggi, a livello mondiale, il 70% dei dispositivi SiC sono fabbricati su wafer da 4”. Alcuni produttori come Rohm ed ST hanno già iniziato a produrre dispositivi SiC su wafer da 6”: ciò si traduce in una sensibile riduzione dei costi di produzione. La riduzione dei prezzi dei dispositivi SiC è destinata a continuare in quanto la roadmap dei produttori prevede il passaggio della produzione su wafer da 8” nell’arco dei prossimi 3-5 anni. Nonostante ciò, il carburo di silicio è un materiale molto più costoso rispetto al silicio, quindi il costo unitario dei Mosfet SiC è più alto rispetto a quello di Igbt o Mosfet in silicio e tale divario è destinato a rimanere. Ma se si confronta il costo totale del sistema, l’alternativa rappresentata dai dispositivi SiC può risultare preferibile nei progetti di sistemi di potenza ad alta tensione, a condizione che l’utente sia disposto a ripensare all’approccio del progetto del circuito in modo da sfruttare al meglio le caratteristiche dei dispositivi SiC. Ciò, può significare:

  • Riduzione di dimensioni, peso e costo del dissipatore e possibilità di far funzionare un Mosfet SiC a temperature più elevate rispetto a un Igbt o a un Mosfet in silicio equivalenti.
  • Incremento della frequenza di commutazione e diminuzione delle dimensioni degli induttori e dei condensatori nel circuito di conversione di potenza
  • Inclusione dei costi di trasporto nel budget totale dei costi del sistema.

Il layout della scheda

Poiché, come già segnalato, è necessario rivedere l’approccio in fase di design del sistema di potenza, il progettista deve tenere in considerazione alcuni elementi specifici che influenzano la modalità di stesura del layout sulla scheda dei circuiti basati sul carburo di silicio. In particolare, gli elevate rapporti di/dt e dv/dt (ovvero le velocità di variazione della corrente e della tensione) durante le operazioni di commutazione richiedono un’accurata progettazione di tutti i nodi e gli anelli di commutazione. In fase di progetto è necessaria una particolare attenzione alle induttanze e capacità parassite per minimizzare gli spike di corrente/tensione e ridurre il rischio di superare i limiti imposti relativi alle emissioni Emi. Nel caso dei dispositivi SiC, per una corretta predisposizione del layout è necessario che i percorsi di commutazione siano più piccoli e progettati con maggior cura rispetto a quanto richiesto per i dispositivi in silicio. In ogni caso val la pena notare che vi sono tool in grado di aiutare il progettista nel processo di ottimizzazione del layout: un ottimo esempio è rappresentato da Dynamic Characterization Platform, un tool sviluppato congiuntamente da Littelfuse e Monolith Semiconductor. I vantaggi dei dispositivi SiC (e quelli dei dispositivi in nitruro di gallio, un altro materiale ad ampio bandgap) rispetto ai loro equivalenti in silicio. Una volta terminato il progetto, l’adozione di questi dispositivi permette di ottenere risultati di assoluto rilievo.

Migliorare le prestazioni 

Gli esempi appena sopra riportati mostrano chiaramente che i dispositivi SiC sono già pronti per essere utilizzati in qualsiasi applicazione di commutazione di potenza ad alta tensione. Tali dispositivi sono caratterizzati da valori inferiori di on-resistance, con conseguente aumento dell’efficienza, e da frequenze di commutazione più elevate che consentono di utilizzare dispositivi passivi più piccoli e ridurre dimensioni e costi del sistema finale. Perdite di potenza inferiori ad alte temperature e supporto di temperature di giunzione massime più elevate contribuiscono a ridurre i requisiti legati al raffreddamento consentendo l’uso di dissipatori di dimensioni inferiori. Il pilotaggio dei Mosfet SiC, infine, è più semplice, con conseguente riduzione del numero di componenti richiesti e del costo della Bill of Material e aumento dell’affidabilità.

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