I primi diodi Schottky SiC commerciali furono introdotti più di dieci anni fa. Da allora questi dispositivi sono stati inseriti in molti sistemi di alimentazione, e in modo particolare nei circuiti Pfc (Power Factor Correction) degli alimentatori switching. Ai diodi Sbd (Schottky Barrier Diode) seguirono gli interruttori di potenza SiC: Jfet, Bjt e Mosfet. Per le applicazioni che richiedono elevati livelli di potenza, non supportabili da dispositivi discreti, i fornitori mettono a disposizione nuovi moduli di potenza che integrano più dispositivi discreti (in un package o in formato bare-die) in fattori di forma compatti. Tali moduli compatti sono disponibili in versione “all SiC” o in versione ibrida “Igbt + Sbd SiC”. Esistono diversi fornitori di diodi Schottky SiC. I primi dispositivi switching SiC ad essere offerti sono stati i Jfet e Bjt, mentre quelli più recenti, comparsi negli ultimi 2-3 anni, sono i Mosfet SiC. La maturazione tecnologica, le prestazioni e una notevole riduzione dei costi dovuta a un aumento del volume e della concorrenza sono i motivi principali che hanno favorito la diffusione dei Mosfet SiC in un numero sempre maggiore di applicazioni. Al momento sono disponibili Sbd SiC con tensioni di rottura di 600-1700 V e correnti nominali di 1 A-60 A. Quindi i dispositivi SiC tendono a competere con i Mosfet al silicio nel range 600-900 V e con gli Igbt nel range 1 kV+. In genere sono disponibili sia con package sia nel formato bare-die. Integrati con successo nei sistemi di alimentazione da oltre un decennio, gli Sbd SiC offrono vantaggi che i progettisti conoscono bene. Inoltre sono sempre più apprezzati dai progettisti gli ultimi arrivati, i Mosfet SiC, grazie alla caratteristica “normally-off” di questi dispositivi, controllati in tensione, e alla semplicità del pilotaggio del gate rispetto ai Jfet (Junction Gate Field Effect Transistor) e ai Bjt (Bipolar Junction Transistor). Di recente Rohm Semiconductor ha presentato due nuovi Mosfet SiC da 1200 V, denominati SCT2080KE e SCH2080KE, progettati per garantire prestazioni innovative e vantaggiose dal punto di vista economico. Si tratta di dispositivi da 80 mΩ e inoltre l'SCH2080KE è il primo Mosfet SiC integrato nello stesso package con un diodo discreto Schottky SiC in antiparallelo.
Migliorare gli interruttori di potenza
L'interruttore ideale presenta le seguenti caratteristiche: può portare grandi correnti senza caduta di tensione nello stato On; blocca l'alta tensione senza perdite nello stato Off; non subisce alcuna perdita di energia quando passa dallo stato On allo stato Off e viceversa. Con il silicio è difficile combinare queste caratteristiche interessanti ma diametralmente opposte, soprattutto in presenza di tensioni e correnti elevate. Ad esempio, con una tensione di rottura di 800V e oltre, la resistenza di canale (e quindi la caduta di tensione diretta) è molto elevata a causa dell'ampia regione di deriva necessaria per resistere a tale tensione. I dispositivi Igbt (Insulated Gate Bipolar Transistor) sono stati creati per risolvere questo problema. Gli Igbt consentono di ottenere una bassa resistenza di canale pur con una tensione di rottura elevata, a scapito, però, delle prestazioni di switching. Portatori minoritari di carica vengono iniettati nella regione di deriva per ridurre la resistenza (di On) in conduzione. Quando il transistor è disattivato, questi portatori impiegano molto tempo per ricombinarsi e “disperdersi” dalla regione della base, con conseguente incremento delle perdite e del tempo di commutazione. I Mosfet sono dispositivi a portatori maggioritari, quindi non hanno correnti “di coda”, come nel caso degli Igbt, quando vengono disattivati. I Mosfet SiC, quindi, combinano tute e tre le caratteristiche dell'interruttore ideale, vale a dire tensione di rottura elevata, bassa resistenza di On e velocità di commutazione elevata.
Un die più piccolo del Mosfet SiC comporta capacità parassite più piccole. Rispetto a un Mosfet da 900 V al silicio, le capacità Ciss e Coss sono 10 volte più piccole. A 100 nC la carica di gate è circa cinque volte inferiore. Il dispositivo SCH2080KE di Rohm, che combina Mosfet SiC e Sbd SiC in un unico package, mostra una perdita al turn-off inferiore dell'88% e una perdita al turn-on inferiore del 34% rispetto agli Igbt e agli Frd (Fast Recovery Diode) al silicio. Il miglioramento al turn-off è dovuto alla mancanza della corrente di coda nel Mosfet. Il miglioramento al turn-on è dovuto alla minor perdita di recupero del diodo SiC. Queste perdite di commutazione così ridotte comportano una serie di importanti vantaggi:
• A perdite inferiori corrisponde una minore generazione di calore, questo si riflette in sistemi di raffreddamento più semplici, più economici, più piccoli e/o più leggeri e quindi in una densità di potenza maggiore.
• Le basse perdite di commutazione consentono un aumento della frequenza di commutazione e una riduzione delle dimensioni dei componenti passivi (condensatori, induttori), con conseguente diminuzione del costo, delle dimensioni e del peso del sistema. La riduzione delle dimensioni è più o meno proporzionale all'aumento della frequenza.
• Un calore inferiore comporta una temperatura d'esercizio inferiore, quindi non occorre correggere molto il rating dei componenti, il che consente di utilizzare componenti più piccoli e meno costosi. A livello di sistema significa che un sistema in SiC di potenza inferiore può sostituire un sistema al silicio di potenza maggiore.
I vantaggi delle alte temperature dei Mosfet SiC
Considerato l'ampio bandgap del materiale, il dispositivo SiC può operare a temperature molto elevate. Gli Sbd e i Mosfet SiC attualmente disponibili funzionano fino a temperature comprese tra 150˚C e 175˚C, soprattutto a causa delle limitazioni relative al package. I moduli di potenza SiC che usano una speciale tecnologia di 'die bonding' hanno dimostrato di poter operare a 250˚C. Inoltre uno studio di R&S in corso ha dimostrato che questi dispositivi sono in grado di operare a 650˚C. Il limite superiore del dispositivo a semiconduttore in silicio è 300˚C, perché a quel punto il materiale smette di comportarsi come un semiconduttore. Inoltre la conduttività termica del SiC è tre volte maggiore di quella del silicio. Queste proprietà contribuiscono a ridurre le esigenze di raffreddamento, semplificando il raffreddamento dei componenti SiC. Si ottengono in questo modo sistemi termici più piccoli, più leggeri e più economici. Le caratteristiche elettriche dei Mosfet SiC non variano in funzione della temperatura come accade con i Mosfet al silicio (questo vale anche per gli SBD SiC). Ad esempio, la Rds-on del dispositivo SCT2080KE di ROHM è 80 mΩ con Tj = 25˚C. Con Tj = 125˚C, la Rds è 125 mΩ, pari a un incremento del 56%. Con i Mosfet al silicio l'incremento sarebbe superiore al 200%. Il vantaggio è che il rating di corrente dei Mosfet SiC all'aumentare della temperatura non deve essere ridotto come quello dei dispositivi al silicio.
L'affidabilità dei Mosfet SiC
L'affidabilità è uno degli aspetti principali di cui tenere conto nei progetti di elettronica di potenza, a prescindere che si tratti di conversione di rete, conversione di potenza o di comandi elettrici per veicoli elettrici o elettrodomestici. Una modalità di guasto comune dei dispositivi MOS è il sovraccarico elettrico dell'ossido di gate, la cui qualità influisce direttamente sull'affidabilità del Mosfet SiC. Lo sviluppo di un ossido di qualità elevata sul substrato SiC è stato molto problematico fino a poco tempo fa. L'obiettivo è ridurre al minimo la densità dei difetti (trappole di interfaccia e di bulk) onde evitare di compromettere il tempo di vita e la stabilità delle caratteristiche elettriche. Un altro aspetto dell'affidabilità del dispositivo è la stabilità della tensione di soglia (Vth) del gate, essendo il gate soggetto a polarizzazioni positive e negative. Applicando una tensione positiva al gate per un lungo periodo di tempo, i difetti del cristallo all'interfaccia ossido-SiC catturano gli elettroni, causando un aumento di Vth. Allo stesso modo, applicando una tensione negativa, le lacune intrappolate provocano una diminuzione di Vth. Questo effetto è confrontabile con quanto accade in un Mosfet al silicio. A livello pratico la variazione sarebbe ancora inferiore, perché i Mosfet vengono attivati e disattivati. Questo consente agli elettroni e alle lacune intrappolati di “fuggire” tra un ciclo di switching e l'altro. Pertanto il numero reale di portatori intrappolati accumulati, che causano una variazione di Vth, è decisamente inferiore. I Mosfet SiC con diodo di body affidabile possono essere usati in topologie di circuito che comportano una commutazione del body diode (es. topologie a ponte negli inverter). In mancanza di controlli, i difetti del wafer e dello strato epitassiale provocano un incremento della resistenza di On, la caduta della tensione diretta del diodo e un aumento della corrente di dispersione all'aumentare della corrente diretta che passa nel diodo. Questi effetti sono dovuti alla diffusione di difetti che si accumulano, legati all'energia di ricombinazione. Il riscaldamento locale aumenta con la resistenza di On, provocando più difetti. Rohm ha creato un processo proprietario per ridurre al minimo la densità dei difetti e la propagazione dei guasti. Dai risultati dei test eseguiti sul Mosfet SiC SCT2080KE emerge che il body diode è resistente alla conduzione inversa. Rohm offre un'ampia gamma di Mosfet SiC, disponibili in un range di tensioni di rottura da 400 a 1700 V e correnti comprese tra 10 e 63 A. I dispositivi sono disponibili in package through-hole e in formato bare-die. I primi due dispositivi della linea di Mosfet SiC Rohm, SCT2080KE e SCH2080KE, vengono prodotti in serie dal luglio 2013, entrambi caratterizzati a 1200 V e 80 mΩ. Nell'SCH2080KE il die SCT2080KE e un diodo discreto Sbd SiC in antiparallelo sono integrati nello stesso package, con conseguente riduzione dello spazio occupato, semplificazione del layout e riduzione dei costi rispetto all'utilizzo di componenti discreti equivalenti. Primo dispositivo SiC co-packed sul mercato, l'SCH2080KE è adatto soprattutto per le applicazioni in cui dimensioni ridotte e peso sono fattori importanti, ad esempio comandi motore e conversione Dc/Dc nel settore aerospaziale e veicoli Ev/Hev. Tra gli altri prodotti della serie a 1200 V figurano Mosfet più piccoli ed economici con Rds-on comprese tra 160 e 450 mΩ, oltre a die più grandi (corrente nominale maggiore) e con Rds-on che è quasi la metà dei dispositivi attualmente sul mercato. Tutti questi dispositivi sono qualificati per operare a 175°C.
