L'importanza dei dispositivi elettronici di potenza nel controllo dei sistemi elettrici è in crescita, supportata anche dalla continua richiesta, da parte di governi e utilizzatori finali, di bassi consumi e maggiore efficienza energetica in apparati che vanno dai sistemi di illuminazione, gli elettrodomestici e i sistemi di condizionamento dell'aria, fino ai veicoli elettrici e ai motori industriali ad alta potenza. Gli azionamenti per motori elettrici assorbono attualmente circa il 45% del consumo globale di elettricità, una delle motivazioni che ha spinto all'adozione di una nuova legislazione orientata all'efficienza, come la direttiva Iec 60034-30, che renderà alla fine obbligatorio il controllo elettronico a velocità variabile. Altri apparecchi come gli alimentatori dei televisori e dei computer sono soggetti a linee guida di progetto ecosostenibili, come Energy Star o la direttiva europea ErP, che richiedono un'elevata efficienza energetica dalla condizione di stand-by fino a pieno carico. La regolamentazione dell'illuminazione a risparmio energetico rappresenta un altro passo, che si tradurrà sperabilmente nel risparmio di tonnellate di emissioni di CO2, ottenibile solo grazie all'adozione di driver o alimentatori elettronici di potenza. Inoltre, se i piani di soddisfare una crescente porzione della domanda energetica mondiale tramite fonti rinnovabili saranno rispettati, i progettisti dovranno affrontare decisioni importati nella scelta degli switch o dei moduli di potenza per sottosistemi fondamentali, come gli inverter collegati alla rete.
Selezione degli switch
La configurazione a mezzo ponte è molto diffusa negli azionamenti e negli inverter per molteplici applicazioni, che spaziano su ampi intervalli di tensioni, correnti e potenze. Tipicamente gli switch posto nel ramo superiore collegato all'alimentazione (high-side) e nel ramo inferiore collegato a massa (low-side) del mezzo ponte sono realizzati impiegando dei Mosfet di potenza o degli Igbt. I progettisti devono scegliere dispositivi opportunamente dimensionati, capaci cioè di sopportare le condizioni operative, soddisfacendo le richieste di efficienza e al contempo anche di costo e time-to-market. Questi aspetti sono pesantemente influenzati da fattori come la complessità dei circuiti di pilotaggio dei gate. Normalmente si preferiscono i Mosfet nelle applicazioni a bassa tensione, fino a circa 250 V e per potenze d'uscita inferiori a 500 W. Infatti, le minori perdite di commutazione rispetto agli Igbt consentono di lavorare a frequenze maggiori, permettendo così l'uso di componenti di filtraggio più piccoli. L'ultima generazione di Mosfet è costituita da interruttori di potenza adatti ad applicazioni come i convertitori Dc/Dc di tipo buck sincrono, impiegati in contesti attenti al consumo, come i sistemi di telecomunicazione, le reti ed i calcolatori. Invece, è preferibile impiegare gli Igbt in applicazioni a tensioni elevate, in particolare maggiori di 1000 V, e per potenze d'uscita da 5 kW in su. Dato che un Igbt possiede una caratteristica di commutazione e di conduzione tipica di un transistore bipolare, il suo lento spegnimento (corrente di coda) tende a limitare la frequenza di commutazione di un ponte con Igbt sotto i 20-50 kHz. D'altra parte la struttura con gate isolato gli permette di essere pilotato in tensione, come un Mosfet, semplificando così il circuito di pilotaggio.
Migliorare le caratteristiche del dispositivo
La scelta tra Mosfet e Igbt è meno netta nella zona intermedia tra la regione di applicazioni ad alta frequenza/bassa tensione/bassa potenza, in cui i Mosfet sono chiaramente preferibili, e quelle a bassa frequenza/alta tensione/alta potenza, in cui gli Igbt sono più adatti. I progettisti devono confrontare le prestazioni dei dispositivi disponibili con le specifiche dell'applicazione in modo da effettuare una buona scelta. A questo scopo è importante essere al corrente degli ultimi miglioramenti delle tecnologie realizzative, sia per gli Igbt che per i Mosfet. Normalmente le successive generazioni di Igbt tendono ad offrire minori cadute di tensione quando accesi (Vceon), contribuendo così ad una maggiore efficienza energetica grazie alla riduzione delle perdite di conduzione. Inoltre, la maggiore corrente gestibile in chip dall'area minore permette di risparmiare spazio ed aumentare la densità di corrente, riducendo al contempo la generazione di interferenze elettromagnetiche grazie a tecniche avanzate di soft switching. Ad ogni nuova generazione i Mosfet tendono ad offrire una carica di gate minore e capacità di ingresso e uscita inferiori, contribuendo così al miglioramento delle prestazioni. Allo stesso tempo, la riduzione della resistenza di conduzione, a parità di area del chip, aiuta il miglioramento dell'efficienza nella fase di conduzione. Raggiungendo maggiori tensioni operative, i Mosfet come quelli dell'ultima famiglia di IR a 300 V, consentono ai progettisti di trarre il massimo beneficio dalle minori perdite di conduzione e commutazione e dalle frequenze di lavoro maggiori, in particolare in quelle applicazioni che in precedenza avrebbero richiesto le elevate tensioni o correnti garantite dagli Igbt.
Igbt di ultima generazione
IR ha svilupato la sua ottava generazione di Igbt da 1200 V adatti all'impiego in moduli di potenza in grado di gestire potenze maggiori, rimanendo all'interno delle dimensioni dello standard industriale dei moduli da 34 mm. I dispostivi della Gen8 offrono numerosi vantaggi rispetto ai precedenti dispostivi planari con o senza struttura punch-through, grazie all'architettura con gate verticale a trincea a interruzione di campo (trench gate field stop). L'architettura a trincea elimina il Jfet parassita presente negli Igbt planari, contribuendo a ridurre la tensione collettore-emettitore quando il dispositivo è completamente acceso, incrementando così l'efficienza durante la conduzione. Inoltre la struttura a gate verticale consente lo scorrimento di correnti più elevate a parità di area del chip. La figura 1 illustra quantitativamente questi miglioramenti, confrontando il valore della densità di corrente in funzione della caduta di tensione Vceon per la Gen8 e per famiglie di Igbt concorrenti. La tecnologia delle fette ultrasottili da 140 μm accorcia inoltre il percorso conduttivo verticale, portando così ad un'ulteriore riduzione della caduta di tensione ai capi del dispositivo. Il wafer Gen8, che è circa il 25% più sottile dei primi wafer Non Punch-Through (NPT) e meno della metà dei 380 μm di spessore dei wafer Punch-Through (PT) beneficia anche della minore carica dei portatori, che si traduce in migliori prestazioni di commutazione ed in maggiore dissipazione di calore per migliori prestazioni termiche.
Il processo di fabbricazione Gen8 consente di produrre gli Igbt caratterizzati da uno stretto intervallo di variabilità dei parametri, il che semplifica la connessione dei dispositivi in parallelo per realizzare moduli di potenza ad alta efficienza. Utilizzando gli Igbt Gen8 a 1200 V è possibile realizzare un mezzo ponte da 1200 V/200 A nelle dimensioni di un modulo standard da 34 mm. Un ulteriore miglioramento di questa generazione è la caratteristica di spegnimento molto dolce, caratterizzata da una derivata dV/dt molto bassa. Questo riduce le interferenze elettromagnetiche e le sovratensioni nella commutazione, rendendo questi dispositivi ideali per applicazioni di pilotaggio dei motori.
Mosfet rinforzati
Tra i recenti miglioramenti nella categoria dei Mosfet, i nuovi transistori di potenza StrongIRFET di International Rectifier sono caratterizzati da una bassissima resistenza di conduzione, pari ad 1,0 mΩ, che consente di incrementare l'efficienza in varie applicazioni. Oltre a sistemi quali inverter per pannelli solari, veicoli elettrici industriali come i carrelli elevatori o gli scooter, questi dispositivi sono adatti anche all'uso con pacchi batterie, gruppi di continuità, strumenti di potenza e applicazioni hot-swap come i quelle ORing per il collegamento in parallelo. Anche la famiglia di dispositivi serie 14 offre correnti di lavoro molto elevate, fino a 362 A. Grazia alla bassa resistenza di conduzione, possono aiutare a migliorare l'affidabilità, offrendo ai progettisti una versatilità aggiuntiva per soddifare le specifiche dei sistemi di potenza utilizzando meno componenti. Per applicazioni a tensioni elevate, nelle quali in passato un Igbt sarebbe stato la scelta più ovvia, oggi IR produce una famiglia di dispositivi a 300 V che offrono resistenze di conduzione allo stato dell'arte. Questi sono adatti a un'ampia gamma di applicazioni industriali ad alta efficienza e ad alta frequenza, quali raddrizzatori sincroni, gruppi di continuità, inverter Dc/Ac come quelli per i sistemi fotovoltaici. I dispositivi di questa famiglia offrono resistenze di conduzione di 32 mΩ e combinano elevata efficienza con elevate tensioni operative. Grazie alla riduzione delle perdite nello stato di accensione, possono contribuire alla riduzione del numero di componenti, evitando la necessità di usare più transistori in parallelo.
Il package aiuta il miglioramento
Anche le nuove tecnologie di incapsulamento contribuiscono efficacemente a migliorare le prestazioni di dispositivi come i Mosfet, in particolare in termini di resistenza di conduzione e caratteristiche termiche. Recentemente IR ha introdotto la famiglia con blocchi di potenza a 25 V che combinano i più avanzati dispositivi Mosfet con nuove tecniche di incapsulamento nel package Pqfn da 5x6 mm. I primi dispositivi realizzati sono il modello IRFH4251D da 45 A ed il modello IRFH4253D da 35 A, ottimizzati per realizzare regolatori buck sincroni per alimentare sistemi di telecomunicazione, reti, server o Pc. Il package ospita il chip capovolto, in modo da dissipare il calore prodotto dal source del Mosfet direttamente sul piano di massa del circuito stampato ed incorpora la molletta di rame brevettata da IR che aiuta a ridurre la resistenza di contatto. All'interno, il dispositivo è disposto in modo da minimizzare le induttanze parassite, così da ridurre le sovraoscillazioni. I progettisti possono quindi usare uno di questi dispositivi duali per rimpiazzare singoli transistori Mosfet discreti nel formato standard da 5x6 mm. Inoltre, è possibile impiegare questi nuovi Mosfet da 25 V per sostituire i vecchi e meno efficienti dispositivi da 30 V.
