Mosfet o Igbt? Fai la scelta giusta!

MOSFET & IGBT –

I recenti progressi compiuti nei processi tecnologici consentono di estendere l’uso degli Igbt anche in applicazioni dove in precedenza erano preferiti i Mosfet. Tuttavia, non sempre la scelta fra le due tecnologie è semplice.


Fino a quando non furono introdotti i Mosfet negli anni '70, i transistor bipolari erano i soli transistor di potenza. Essi richiedono una corrente di base elevata per accendersi, e hanno caratteristiche di spegnimento piuttosto lente; sono inoltre soggetti a fenomeni di deriva termica a causa del coefficiente di temperatura negativo. Inoltre, il valore più basso di tensione di on che può essere ottenuto, da cui dipendono le perdite di conduzione, è limitato dalla tensione fra emettitore e collettore del transistor. I Mosfet per contro sono dispositivi controllati in tensione anziché in corrente. Hanno un coefficiente di temperatura positivo, e quindi non sono interessati dalla deriva termica quando sono connessi fra di loro in parallelo. La resistenza di on non presenta limiti teorici, e quindi le perdite nello stato di on sono molto più basse. Questi vantaggi e l'eliminazione della coda di corrente durante lo spegnimento hanno reso i Mosfet i dispositivi di elezione per il progetto di interruttori di potenza.

Gli Igbt fecero ingresso sul mercato negli anni '80. Essi combinano i vantaggi dei Mosfet e dei transistor bipolari. Hanno caratteristiche di accensione, di spegnimento e di conduzione simili a quelle dei transistor bipolari, ma sono controllati in tensione come i Mosfet. Questo significa che gli Igbt combinano i vantaggi dei bipolari in termini di gestione di alte densità di corrente con la facilità di controllo dei Mosfet. Tuttavia, gli Igbt tradizionali presentano ancora gli svantaggi legati a una coda di corrente relativamente alta. Le prime versioni di Igbt entravano in latch-up facilmente, ma oggi questo problema è stato eliminato. Un altro problema potenziale in alcuni tipi di Igbt è il coefficiente di temperatura negativo, e quindi il pericolo di deriva termica. Questo problema è stato risolto nei dispositivi di ultima generazione.
Tuttavia, non sempre la scelta fra le due tecnologie (Mosfet e Igbt) è semplice. Occorre considerare alcuni compromessi, soprattutto per tensioni comprese fra 250 V e 1000 V, frequenze di commutazione fra 10 kHz e 200 kHz e livelli di potenza al di sopra di 500 W. In questi casi alcuni progettisti preferiscono usare gli Igbt, mentre altri optano per i Mosfet. La scelta è legata nello specifico all'applicazione e ad aspetti come costo, dimensioni, velocità e prestazioni termiche, alla topologia circuitale ed alle specifiche sul packaging.

Mosfet ed Igbt a confronto

Confrontando le sezioni trasversali di un Mosfet e di un Igbt, queste appaiono molto simili. La differenza di base consiste nell'aggiunta di un substrato p al di sotto del substrato n. In teoria, gli Igbt sono preferiti in applicazioni caratterizzate da duty cycle ridotti, da bassa frequenza (al di sotto dei 20 KHz), e da piccole variazioni sulla linea o sul carico. Gli Igbt inoltre possono operare anche in presenza di temperature di giunzione elevate (oltre 100°C), alte tensioni (più di 1000 V) e con potenze di uscita al di sopra di 5 kW. Le applicazioni tipiche includono il controllo del movimento, gli Ups, caratterizzati da un carico costante e da una bassa frequenza operativa, i sistemi di illuminazione (per frequenze inferiori ai 100 kHz) e le macchine per la saldatura.

I Mosfet sono preferiti nelle applicazioni ad alta frequenza (al di sopra dei 200 kHz), in presenza di grandi variazioni sulla linea o sul carico, con duty cycle lunghi, basse tensioni (al di sotto di 250 V) e una potenza inferiore a 500 W. Alcuni esempi classici di applicazioni includono gli alimentatori a commutazione e i caricabatterie.
Un Igbt è in grado di supportare una densità di corrente 2 o 3 volte superiore rispetto a quella di un tipico Mosfet. Questo significa che un singolo Igbt può sostituire più Mosfet in parallelo, oppure un Mosfet di dimensioni superiori. I nuovi Igbt in commercio supportano densità di corrente superiori, forniscono una maggiore efficienza con dimensioni di die inferiori e quindi costi più bassi rispetto a dispositivi Mosfet analoghi. Gli Igbt hanno già da alcuni anni rimpiazzato i Mosfet in applicazioni con frequenze al di sotto dei 75 kHz. Le soluzioni Igbt di ultima generazione ne hanno reso conveniente l'uso anche per frequenze operative fino a 150 kHz.

Sostituire un Mosfet di potenza con un Igbt è relativamente facile. Gli Igbt in commercio hanno una piedinatura compatibile con quella dei Mosfet. Le tensioni di pilotaggio di gate sono essenzialmente le stesse: si raccomanda infatti una tensione tra gate ed emettitore di 12 - 15 V per gli Igbt e di 10 V per i Mosfet. La capacità di gate è inferiore negli Igbt, ma questa differenza richiede modifiche minime sulla circuiteria di pilotaggio del gate del dispositivo.
Combinando la semplicità di pilotaggio dei Mos con perdite di conduzione ridotte, gli Igbt sono il dispositivo di elezione per le applicazioni caratterizzate da alti livelli di corrente e di tensione. Con l'ultima generazione di Igbt Punch Through (PT), è possibile ottenere un compromesso ottimale fra le perdite di commutazione e quelle di conduzione; di conseguenza gli Igbt possono essere usati anche in applicazioni a frequenze più alte, tradizionalmente di dominio dei Mosfet. In passato, per i circuiti che operavano a 300 V, la scelta obbligata era l'uso di Mosfet discreti. È in corso una tendenza verso la sostituzione dei Mosfet di potenza con gli Igbt negli alimentatori a commutazione, se la tensione supera i 300 V. Questa tendenza è resa possibile dai miglioramenti significativi ottenuti nella velocità di commutazione negli Igbt di ultima generazione, pur mantenendo le perdite di conduzione ridotte. In gran parte dei casi, i progettisti che usato gli Igbt di ultima generazione possono ridurre i costi del progetto senza sacrificare le prestazioni in applicazioni tradizionalmente di dominio dei Mosfet come gli alimentatori a commutazione ad alta frequenza e ad alta tensione.

Gli Igbt Punch Through e Non Punch Through
a confronto

Un Igbt Punch Through (PT) è essenzialmente un Mosfet a canale n realizzato su un substrato di tipo p. È perciò schematizzabile come un Mosfet con in serie un diodo. A rigore, la tensione di on lungo l'Igbt dovrebbe essere superiore rispetto a quella del Mosfet a canale n. Tuttavia, rispetto ad un Mosfet di potenza convenzionale con la stessa dimensione del die e la stessa tensione, un Igbt presenta una tensione di on significativamente inferiore. Il motivo di questo è che un Mosfet è un dispositivo con corrente di maggioritari: ad esempio, in un componente a canale n scorrono solo elettroni. Per contro l'Igbt è un dispositivo bipolare: la corrente è costituita sia da elettroni, sia da lacune, le quali modulano la conducibilità del dispositivo. Negli Igbt si ha un compromesso fra la bassa tensione di on e una ridotta tensione di commutazione durante lo spegnimento. Questo perché, riducendo la tensione di gate al di sotto della soglia, rimangono le lacune nella regione di deriva (drift) e nel body. Questi portatori minoritari possono essere rimossi attraverso la ricombinazione. Si ha quindi una coda di corrente, che è stata storicamente uno dei principali svantaggi degli Igbt. Questo problema è risolto aggiungendo uno strato di buffer n+, caratterizzato da un tempo di vita dei portatori minoritari molto inferiore rispetto alla regione di drift, che quindi accelera la rimozione delle lacune. Non tutti gli Igbt incorporano uno strato di buffer di tipo n+. Quelli che lo presentano sono detti “Punch Through” (PT), mentre quelli che non lo possiedono sono definiti “Non Punch-Through” (NPT). Gli Igbt PT sono talvolta indicati come asimmetrici, mentre quelli NPT come simmetrici.

Per una determinata velocità di commutazione, la tecnologia NPT presenta una tensione di ON generalmente più alta rispetto a quella PT. Questa differenza è ulteriormente amplificata dal fatto che la tecnologia NPT presenta un coefficiente di temperatura positivo (e quindi la VCEON aumenta con la temperatura), mentre quella PT ha un coefficiente di temperatura negativo. Tuttavia, dato che esiste un compromesso fra le perdite di commutazione e la tensione di ON, gli Igbt ad alta velocità hanno una VCEON superiore, siano essi PT o NPT. Gli Igbt PT sono caratterizzati in genere da una velocità di commutazione superiore e da un'energia di commutazione complessiva inferiore. Questo perché lo strato di buffer diminuisce il tempo di vita dei portatori minoritari, accorciando la coda di corrente durante lo spegnimento.
D'altro canto, gli Igbt NPT sono più robusti e possono assorbire più energia in caso di moltiplicazione a valanga dei portatori. Il motivo è che la regione di base è più ampia e il transistor PNP parassita ha un guadagno inferiore. È difficile realizzare Igbt PT in grado di supportare una VCE massima di 600 V, mentre questo può essere ottenuto facilmente con la tecnologia NPT.

Gli Igbt NPT, avendo un coefficiente di temperatura positivo, sono inoltre ideali per essere connessi in parallelo. Infatti, con un coefficiente di temperatura positivo, un dispositivo a temperatura superiore conduce meno corrente, e quindi tende naturalmente a condividere la corrente con gli altri transistor connessi in parallelo. Tuttavia, anche gli Igbt PT pur avendo un coefficiente di temperatura negativo, possono essere connessi in parallelo, dato che l'entità del coefficiente non è tale da impattare in modo significativo sulle prestazioni dei dispositivi.

La tecnologia Igbt NPT WARPSpeed 2 di International Rectifier presenta caratteristiche di commutazione molto vicine a quelle dei Mosfet, senza sacrificare le capacità di conduzione intrinsecamente superiori degli Igbt. Di conseguenza, questi dispositivi offrono un'alternativa a basso costo ai Mosfet in applicazioni di alimentazione ad alta potenza, per velocità di commutazione fino a 150 kHz, in cui l'uso dei Mosfet comporterebbe un costo proibitivo. I dispositivi WARPSpeed 2 supportano una tensione di 600 V e correnti pari a 20 A, 35 A o 50 A (l'85% in più rispetto a un Mosfet equivalente alloggiato nello stesso package).

Ixys ha introdotto negli scorsi mesi una nuova generazione di Igbt PT da 300 V a risposta veloce, realizzati nel processo proprietario HDMos della società. I nuovi Igbt, siglati IXGH42N30C3, IXGH60N30C3, IXGH85N30C3, IXGH100N30C3 e IXGH120N30C3, sono in grado di commutare fino a una frequenza di 100 KHz e di supportare correnti comprese fra 42 A e 120 A. I dispositivi, caratterizzati da elevata robustezza, sono alloggiati in un package TO-247 assieme ai diodi veloci HiPerFRED e offrono velocità elevate di commutazione e perdite di conduzione ridotte. Essi costituiscono quindi un'alternativa a basso costo dei tradizionali Mosfet in applicazioni quali i circuiti per la correzione del fattore di potenza, i sistemi Ups, gli inverter per i pannelli solari, i convertitori e gli alimentatori a commutazione e risonanti, i generatori di impulsi, i sistemi di controllo Pwm (Pulse Width Modulation) e diverse applicazioni di controllo del movimento.

Mosfet di potenza ad alte prestazioni

I recenti progressi compiuti nei processi tecnologici consentono di estendere l'uso degli Igbt anche in applicazioni dove in precedenza erano preferiti i Mosfet. La tecnologia Igbt è infatti percepita come “emergente” rispetto ai più maturi Mosfet, e si ritiene che sostituirà questi ultimi nel lungo termine. Tuttavia, non è possibile generalizzare; infatti, anche nella tecnologia Mosfet si stanno ottenendo dei miglioramenti significativi nelle prestazioni.

Fairchild Semiconductor offre i Mosfet a canale p da 40 V FDD4141, realizzati nel processo proprietario PowerTrench. La tecnologia consente di realizzare Mosfet a canale p con le stesse caratteristiche e prestazioni dei dispositivi a canale n, essendo in grado di commutare a frequenze dell'ordine delle centinaia di kHz offrendo una RDSON ridotta (appena 12,3 milliOhm con VGS pari a 10 V e una corrente di drain di 12,7 A), e una carica di gate molto bassa, inferiore del 50 % rispetto ai Mosfet di ultima generazione. I dispositivi sono quindi caratterizzati da un'efficienza molto alta. Queste caratteristiche sono ideali per i convertitori buck, i caricabatterie e gli inverter usati in applicazioni portatili, consumer e nell'informatica, che consentono di supportare velocità di commutazione elevate senza incorrere nei problemi causati dall'eccessiva generazione di calore.

In occasione della manifestazione Apec (Applied Power Electronics Conference), che si è tenuta dal 24 al 28 Febbraio ad Austin, in Texas, Infineon ha annunciato tre nuove famiglie di Mosfet di potenza a canale n OptiMOS 3, rispettivamente da 40V, 60V e 80V, caratterizzati da prestazioni molto spinte in termini di resistenza di on: appena 1.6 mΩ per il Mosfet da 40V in package SuperSO8, 3.5 mΩ per la versione da 60V in package D-Pak e 2.5 mΩ per quelli da 80V, alloggiati in package D2-Pack. Queste specifiche si combinano con una resistenza termica di 1 K/W e di una corrente massima continua di 100 A per i Mosfet in classe da 40 V. Ciò consente di ridurre le perdite del 30 % rispetto ad altri dispositivi analoghi. I componenti sono indicati per una varietà di applicazioni nel campo della conversione e della gestione della potenza: dagli alimentatori a commutazione, ai convertitori DC/DC, ai circuiti di pilotaggio dei motori. Sempre durante l'Apec, Infineon ha lanciato anche i primi Mosfet CoolMOS di potenza da 900 V a supergiunzione, pensati per gli alimentatori a commutazione ad alta efficienza per applicazioni industriali, consumer (come i televisori Lcd) e nel campo delle energie rinnovabili. I dispositivi presentano una resistenza di on di appena 12 ohm in un package TO-247, inferiore di almeno il 75 % rispetto a quanto può essere ottenuto con dei Mosfet tradizionali da 900 V.

STMicroelectronics ha sviluppato la tecnologia MDmesh (Multiple Drain mesh), in grado di abbattere la resistenza di on di un fattore 3 - 4 rispetto ai Mosfet di potenza tradizionali. Questa tecnologia combina la struttura orizzontale MeshOverlay brevettata da ST e una nuova struttura di drain basata su una partizione di “strisce” di materiale p multiple verticali allineate con strisce sottili di tipo n al source. Oltre a una resistenza di on molto bassa, la particolare struttura del drain assicura prestazioni migliori in termini di dv/dt, di specifiche dinamiche e di valanga, con una tensione di breakdown più che doppia rispetto alle soluzioni convenzionali. Ad esempio, un Mosfet MDmesh progettato per supportare 500 V presenta la stessa resistenza di on di un Mosfet tradizionale da 200 V. La carica di gate è inoltre inferiore di oltre il 40% rispetto ad altri dispositivi, con tempi di spegnimento più rapidi e perdite di commutazione inferiori. I Mos STP12NM50 e STD5NM50 da 550 V sono alcuni esempi di dispositivi di potenza realizzati in tecnologia MDmesh. Con una resistenza di on di appena 0,3 Ohm in un package TO 220 per i dispositivi STP12NM50 e da 0,7 Ohm in package Dpak per i STD5NM50, questi Mosfet sono ideali per applicazioni quali alimentatori a commutazione di media potenza e apparecchi portatili di saldatura.

Vishay Intertechnology ha introdotto sul mercato un componente ad alta efficienza, Si4642DY SkyFET, che integra un Mosfet di potenza e un diodo Schottky. È stata dimostrata, ad esempio, un'efficienza superiore al 91% a 300 kHz e a 6 A grazie a questo componente. Tali vantaggi sono conseguenza della caduta di tensione ridotta nello stato di on, della carica in polarizzazione inversa (reverse recovery charge) e della riduzione degli effetti parassiti induttivi sul Pcb per via dell'alto grado di integrazione. I dispositivi combinano una tensione di breakdown di 30 V e una resistenza di on di 3,75 milliohm; sono ideali per i convertitori buck sincroni, per la conversione di potenza point-of-load e per la rettificazione sincrona in applicazioni quali computer e server.

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