Perché i JFET SiC rappresentano il futuro degli interruttori automatici allo stato solido
Un interruttore automatico è un dispositivo utilizzato per proteggere i circuiti elettrici dai danni causati da sovracorrente, sovraccarico e cortocircuiti. Un interruttore elettromeccanico (EMB), lo standard di fatto, è costituito da due meccanismi di azione separati: bimetallico, lento e innescato dalla sovracorrente, ed elettromagnetico, veloce e attivato dal cortocircuito. Gli interruttori EMB sono caratterizzati da una corrente di scatto definita, solitamente fissa, con caratteristiche di scatto istantaneo (elettromagnetico) e ritardato (termico/bimetallico) per gestire in sicurezza cortocircuiti e sovraccarichi.
Pur essendo semplice ed efficiente, un EMB presenta alcuni svantaggi. Uno di questi è la velocità. Gli interruttori EMB operano nell'intervallo di millisecondi, durante il quale una corrente di guasto può ancora causare danni o addirittura colpire l'utente. Un altro svantaggio è l’arco elettrico: quando i contatti si separano, si forma un arco elettrico e l'energia deve essere dissipata in modo sicuro, provocando stress termico e meccanico sull'interruttore.
La sostituzione dei contatti meccanici con gli interruttori su semiconduttore elimina l'arco elettrico, dal momento che l'interruzione della corrente si verifica elettronicamente prima della separazione del contatto fisico. Gli interruttori su semiconduttore possono spegnersi in microsecondi, riducendo significativamente le correnti di cortocircuito di picco. Inoltre, diversamente dai componenti meccanici, essi sono pensati per un funzionamento frequente e non si degradano nel tempo. Questi dispositivi, basati su interruttori a semiconduttore, sono noti come interruttori allo stato solido (SSCB) e sono generalmente utilizzati per la protezione di circuiti sia in continua che in alternata.
Introduzione sugli interruttori automatici allo stato solido
I vantaggi degli interruttori allo stato solido (SSCB) sono chiari: i semiconduttori possono commutare in modo più rapido e affidabile, sono più resistenti (non soggetti ad usura) e offrono un controllo più preciso. In caso di guasto, è meglio avere una disconnessione più veloce e un interruttore su semiconduttore è più di mille volte più veloce di quelli meccanici. Inoltre, l'elettronica di controllo richiesta consente agli interruttori di includere ulteriori nuove funzionalità, come il monitoraggio della corrente e della tensione, la modifica del limite di corrente e altri componenti aggiuntivi di sicurezza come i dispositivi a corrente residua.
Il cuore di un SSCB è costituito da un interruttore su semiconduttore, che sostituisce i tradizionali relè elettromeccanici. Un SSCB opera monitorando la corrente e la temperatura di un circuito e inviando tali dati a un'unità di microcontrollore (MCU). La MCU monitora continuamente la corrente e la temperatura per rilevare guasti e attivare arresti protettivi nel giro di microsecondi. In caso di scatto, la MCU invia al gate driver un comando di "spegnimento" dell'interruttore. Tutto ciò accade in una frazione del tempo richiesto per l'attivazione di un interruttore elettromeccanico (EMB).
Per ragioni di sicurezza, un relè meccanico opzionale può fornire l'isolamento fisico dopo lo spegnimento dei semiconduttori, eliminando l'arco elettrico e gestendo solo piccole correnti di dispersione. Il relè opera in assenza di arco elettrico, in quanto viene spento dopo il semiconduttore, e quindi non deve essere dimensionato per le correnti di corto circuito. Esso disconnette la corrente di dispersione del semiconduttore, che è dell'ordine delle centinaia di µA. Inoltre, questo relè scollega completamente il dispositivo perché, diversamente da un interruttore automatico meccanico, l'interruttore SSCB è collegato sia alle linee di fase che al neutro.
Classificazione degli interruttori su semiconduttore
L'idea di sostituire gli interruttori meccanici con interruttori a semiconduttore non è nuova, ma per molti anni lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori ha rappresentato il principale fattore limitante. Al giorno d'oggi, con i progressi nella tecnologia a banda larga, hanno iniziato a comparire dispositivi allo stato solido adatti per reti residenziali e commerciali a bassa tensione.
Un fattore limitante per l'adozione di massa di un interruttore SSCB è la resistenza di on. Mentre i moderni interruttori su semiconduttore e in particolare i MOSFET offrono una bassa resistenza all'accensione, essa rimane ancora molto più alta di quella dei contatti meccanici.
Negli ultimi anni, il transistor a effetto di campo a giunzione (JFET) in carburo di silicio (SiC) si è affermato come la tecnologia di riferimento per lo sviluppo degli SSCB. Quest'ultimo sfrutta le proprietà del materiale SiC come l'elevata conducibilità termica, la classe di tensione più elevata e le perdite inferiori, e le combina con i vantaggi della struttura JFET. Il JFET è caratterizzato dal valore di RDS (ON) per area più basso sul mercato ed è controllato in tensione, analogamente a un MOSFET. Questo perché il dispositivo utilizza una struttura di gate a giunzione, a differenza del gate a ossido in un MOSFET, fornendo un percorso diretto di corrente di drain-source con intrappolamento di carica minimo e perdite superficiali trascurabili.
Lo svantaggio legato a questo valore basso di resistenza è la caratteristica normalmente attiva del JFET; ciò significa che, se il gate viene lasciato flottante o non viene applicata una tensione di gate, il dispositivo rimane completamente acceso. Questo è in genere uno svantaggio nella maggior parte delle applicazioni e degli schemi di controllo, poiché lo stato più frequente in cui si verifica un guasto è lo stato di OFF.
È possibile ottenere un dispositivo normalmente spento collegando in serie il JFET con un MOSFET al silicio normalmente spento, che funge da segnale di abilitazione per il JFET SiC, preservando i vantaggi della struttura JFET. Questa configurazione è nota come cascode: il dispositivo è molto versatile e può essere utilizzato in una varietà di applicazioni. Il JFET in configurazione cascode (CJFET) è dotato di un gate drive flessibile caratterizzato da basse perdite di commutazione, ma ha accesso solo al gate del MOSFET al silicio a bassa tensione e il dispositivo commuta troppo velocemente per l'interruttore SSCB.
Il JFET combinato
Un'altra configurazione disponibile è un JFET combinato, che contiene sia il MOSFET LV che il JFET in un unico package. La differenza è che consente l'accesso separato ai gate del MOSFET e del JFET, e quindi consente un maggiore controllo della commutazione dV/dt. Questa configurazione consente inoltre di ottenere un'ulteriore riduzione della RDS (ON) attraverso il sovra-pilotaggio del gate del JFET. Sebbene quest’ultimo sia acceso anche con una tensione di gate di 0V, l'applicazione di una tensione di gate positiva aumenta la conduttività del canale, riducendo la RDS (ON). Questo può essere visto in Figura 1.
Come affermato in precedenza, la dissipazione di potenza rimane il più grande fattore limitante per una più ampia adozione degli interruttori SSCB. Se ne è previsto l’utilizzo in ambienti residenziali, essi devono essere retrocompatibili con i dispositivi attualmente utilizzati, nei quali non c'è molto spazio per il raffreddamento. L'interruttore automatico meccanico presenta perdite molto basse legate alla resistenza molto bassa del percorso di corrente. La causa della perdita di potenza negli interruttori SSCB non è solo la resistenza di on del FET, ma anche la perdita di potenza nell'elettronica di controllo, che è più o meno costante e indipendente dal carico.
Quando il dispositivo viene utilizzato per il blocco AC, esso richiede una configurazione back-to-back, poiché un JFET può solo bloccare la tensione dal source al drain. Ciò complica ulteriormente i requisiti, in quanto raddoppia in effetti la resistenza del canale. Pertanto, per ridurre la RDS (ON) totale si ricorre a una configurazione parallela. Ciò evidenzia ulteriormente il JFET combo come interruttore preferito, in quanto supporta e semplifica il funzionamento in parallelo.
Quando si verifica un guasto nell'interruttore SSCB, la corrente inizia ad aumentare e a fluire attraverso il semiconduttore fino al carico, fino a quando non viene spento. Durante lo spegnimento, la tensione aumenta bruscamente e il circuito di blocco della tensione viene attivato dalla sovratensione, proteggendo i MOSFET dall'effetto valanga. La corrente di guasto continua a fluire verso il carico attraverso il circuito di protezione fino al completo spegnimento. L'energia del circuito immagazzinata nelle induttanze, che include i fili e un carico induttivo, viene scaricata nel circuito di protezione. Un tempo di rilevamento più rapido, un aumento di corrente inferiore e una quantità minore di energia che deve essere scaricata, a loro volta si traducono in un circuito di protezione di dimensioni inferiori.
Per la limitazione di tensione, i due dispositivi più utilizzati sono i varistori a ossido di metallo (MOV) e i diodi a soppressione di tensione transitoria (TVS). I MOV sono bidirezionali, più economici e offrono una maggiore densità di potenza, ma tendono ad avere una durata più breve e presentano prestazioni peggiori nella regolazione della tensione, per via della capacità tra i due elettrodi.
D'altra parte, i diodi TVS possono essere unidirezionali e bidirezionali e avere una capacità inferiore, ma presentano requisiti di spazio più elevati e sono più costosi per le versioni ad alta corrente.
Conclusioni
Gli interruttori SSCB offrono prestazioni migliori rispetto ai dispositivi tradizionali, fornendo maggiori funzionalità a fronte, tuttavia, di costi più elevati. Essi offrono ben più della semplice protezione circuitale; possono anche proteggere le persone, essere utilizzati per il monitoraggio da remoto ed essere controllati e impostati da remoto. Grazie alla loro ripetibilità notevolmente superiore, sono molto più adatti in ambienti che prevedono una velocità di scatto più elevata. onsemi offre JFET al SiC e JFET Combo al SiC, che sono i migliori interruttori disponibili per l'applicazione grazie al fatto che offrono la RDS (ON) più bassa attualmente disponibile sul mercato. Anche se gli interruttori SSCB si stanno diffondendo sul mercato, l'adozione di massa non è avvenuta, principalmente a causa delle criticità di gestione della dissipazione di potenza a tensioni e a correnti elevate. Dispositivi come i JFET e i combo JFET al SiC contribuiranno a promuovere l'adozione di soluzioni di protezione vantaggiose allo stato solido.
