Come scegliere i dispositivi GaN o SiC per la commutazione ad alta tensione

a cura di Udo Blaga – Senior Technology Application Engineer Power, Avnet Silica.

Ogni ingegnere vorrebbe potere disporre di uno switch perfetto in grado di commutare istantaneamente tra gli stati On e Off e che sia immune da perdite. Per avere minori perdite possibili quando si passa da uno stato all’altro, è necessario che lo switch abbia una serie di caratteristiche. Deve avere una tensione di breakdown infinita, non consentire alcun flusso di corrente quando è interdetto, non presentare una differenza di tensione quando è polarizzato e non impiegare tempo per attivarsi o disattivarsi.

Uno switch di questo tipo non esiste. Gli switch reali presentano una tensione di breakdown finita, una corrente di dispersione quando sono interdetti, una differenza di tensione quando sono polarizzati e un tempo misurabile per passare da uno stato all’altro. Inoltre, tutti gli switch reali dissipano sempre una certa quantità di energia, sia quando sono polarizzati sia durante la commutazione.

 

Le nuove tecnologie ampliano le opzioni di commutazione

Oggi, le nuove tecnologie dei materiali, per esempio i semiconduttori (WBG – Wide Band Gap) come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), offrono ai progettisti delle soluzioni con prestazioni superiori rispetto a quelle delle tecnologie tradizionali, con caratteristiche sempre più simili a quelle di uno switch ideale. Benché – come spesso accade – le nuove tecnologie presentino un prezzo da pagare, questo viene compensato dai vantaggi e dall’aumento del valore commerciale legato appunto all’incremento di prestazioni.

Ad esempio, poiché il processo di produzione è ormai largamente ottimizzato per il trattamento in serie, i wafer di Silicio sono molto meno costosi da lavorare rispetto ai wafer in tecnologia SiC. Inoltre, i processi di taglio, molatura e lucidatura dei wafer di Silicio richiedono meno tempo rispetto a quelli utilizzati per i wafer dei SiC, in quanto tale materiale è più duro. Di contro, l’onere aggiuntivo legato ai wafer in tecnologia SiC può essere trasformato in valore poiché questo materiale mette a disposizione caratteristiche più performanti.

Alcune domande su come raggiungere i giusti compromessi di progetto utilizzando questi nuovi dispositivi spesso hanno risposte ovvie. Naturalmente, non ha senso sostituire un MOSFET in Silicio con un MOSFET SiC in un alimentatore da 3 euro. Ma potrebbe essere utile sfruttare un diodo SiC invece di un diodo epitassiale al silicio per migliorare, ad esempio, le prestazioni in un circuito di correzione del fattore di potenza (PFC – Power Factor Correction). Ciò migliorerebbe l’efficienza di conversione dell’alimentatore dell’1% o 2%, fornendo anche quello che potrebbe essere un margine extra molto gradito ai progettisti in termini di miglioramento di prestazioni termiche e di conseguenza con un impatto positivo anche sulle dimensioni e i costi della meccanica del sistema.

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