Il mercato offre un numero crescente di componenti di potenza realizzati in carburo di silicio (SiC), un materiale semiconduttore nettamente superiore al silicio (in questo specifico tipo di applicazioni) sotto numerosi aspetti: grazie a una “banda proibita” (band gap) di larghezza tripla e alla capacità di sopportare campi elettrici (breakdown field) molto alti, consente infatti di realizzare dispositivi caratterizzati da basse perdite di conduzione e capaci di operare a temperature elevate. Molti dei dispositivi di potenza in carburo di silicio oggi disponibili sono Mosfet o Jfet; alcuni produttori, però, ritengono che questo materiale sia particolarmente adatto per realizzare transistor a giunzione bipolare, o Bjt. Una di queste società è Fairchild, che ha recentemente presentato i primi campioni di una nuova famiglia di Bjt in carburo di silicio, proposti principalmente come alternativa ai tradizionali Igbt in silicio. Il primo membro della famiglia, in particolare, viene descritto dalla società come “il più efficiente transistor da 1200 volt mai realizzato”. Ne abbiamo parlato con Mats Reimark, responsabile della tecnologia carburo di silicio presso Fairchild.
Frequenza di commutazione tripla
Secondo Reimark, i Bjt in carburo di silicio si prestano in modo particolare alla conversione di energia basata su commutazioni (convertitori switching) perché offrono il miglior compromesso tra perdite di commutazione (dovute al passaggio tra i due stati, aperto e chiuso) e perdite di conduzione (dovute invece alla resistenza che rimane, tra emettitore e collettore, anche nello stato “on”). Nel caso dei nuovi Bjt Fairchild, in particolare, il valore della Ron è di soli 17 milliohm (“un record assoluto”, secondo Reimark) e i tempi di commutazione sono inferiori a 20 nanosecondi. Grazie a queste caratteristiche, i Bjt possono essere pilotati a frequenze di commutazione triple rispetto agli Igbt senza aumentare le perdite, il che consente di raggiungere un'efficienza di conversione superiore al 98% riducendo però le dimensioni dei componenti passivi (induttanze e condensatori) utilizzati per realizzare i filtri. In determinate condizioni le perdite possono essere inferiori rispetto alle soluzioni basate su Igbt, il che consente di ridurre anche le dimensioni del dissipatore; d'altronde gli stessi Bjt in carburo di silicio tendono a essere componenti di piccole dimensioni, poiché questo materiale sopporta una densità di corrente superiore a 300 ampere per centimetro quadrato. Tutti questi fattori concorrono quindi alla realizzazione di sistemi meno ingombranti e più economici, a parità di efficienza di conversione. Secondo Fairchild, in determinate applicazioni le dimensioni della scheda possono essere ridotte del 30-50%, mentre sul costo dei componenti passivi si possono ottenere risparmi del 50-60%. Un ulteriore vantaggio dei Bjt in carburo di silicio rispetto agli Igbt è l'assenza di “tail current”.
Pilotaggio in corrente
Ovviamente anche i Bjt in carburo di silicio, come tutti i Bjt, sono pilotati in corrente, a differenza degli Igbt e dei Mosfet che sono invece pilotati in tensione. Ciò induce due tipi di considerazioni: da un lato, ai fini del calcolo dell'efficienza di conversione, occorre tenere conto anche delle perdite dovute al driver; dall'altro lato, come osserva Reimark, “gli utilizzatori non sono più abituati a pilotare i Bjt”, cioè a realizzare driver in corrente. Per quanto riguarda il primo dei due aspetti, Fairchild risponde con stime che mostrano come, nonostante il driver, le perdite complessive dei Bjt in carburo di silicio siano inferiori a quelle degli altri componenti di potenza; mentre per il secondo aspetto la società interviene in aiuto degli utilizzatori proponendo un driver pronto per l'uso. La prima versione di questo circuito è sotto forma di scheda con componenti discreti; in futuro saranno realizzati anche appositi circuiti integrati.
La famiglia dei Bjt in SiC
Il Bjt in carburo di silicio presentato da Fairchild è il primo membro di una famiglia che comprenderà sei dispositivi, tutti per tensioni massime di 1200 volt. Due di essi saranno ottimizzati per le applicazioni che richiedono alta efficienza di conversione, avranno contenitore TO247 e portate di corrente di 15 e 50 ampere; altri due dispositivi saranno invece ottimizzati per le applicazioni caratterizzate da alte temperature (la giunzione potrà raggiungere 250 gradi), avranno contenitore TO258 e portate di 6 e 20 ampere. Gli altri due membri della famiglia, infine, saranno dispositivi privi di contenitore (“bare die”). Un cenno, infine, a una prima applicazione dimostrativa dei Bjt Fairchild in carburo di silicio: si tratta di un inverter da 300 ampere per applicazioni automobilistiche, un modulo a “mezzo ponte” che comprende sei transistor e sei rettificatori, anch'essi in SiC. Il progetto è stato realizzato in Svezia con il sostegno del governo svedese e la collaborazione delle locali università.
