Elettronica e trasporti: oltre la scheda tecnica  

La vera robustezza e l’affidabilità di una scheda elettronica si manifestano al di là dei numeri presenti sulla scheda tecnica. Solo un’attenta analisi progettuale può confermare o meno quanto descritto

I trasporti toccano la vita di tutti e tutti i giorni, spostando persone e merci da un posto all’altro. Un'interruzione in un sistema del genere avrebbe un immaginabile effetto domino. I treni in particolare sono anche soggetti ad una varietà di sistemi meteorologici che possono influenzarne l'elettronica utilizzata al loro interno. È quindi molto importante che gli sviluppatori di sistemi destinati al trasporto considerino anche quei parametri che, in genere, non vengono indicati nelle schede tecniche.
Questo è ancora più importante nel caso dell'elettronica di potenza ad ampio bandgap come nel caso del Carburo di Silicio (SiC), che è un materiale di recente utilizzo in tali applicazioni.

I dispositivi di potenza SiC di Microchip Technology sono robusti, molto resistenti e adatti ad applicazioni impegnative nel settore dei trasporti. Un ampio e consistente portfolio di opzioni di packaging, standard e personalizzate, offre ai clienti la necessaria flessibilità nella progettazione. I gate driver digitali programmabili, disponibili come plug-and-play per circuiti stampati (PCB) o core driver, forniscono agli ingegneri gli strumenti per ottimizzare le prestazioni di sistema per adattarlo perfettamente all'applicazione in realizzazione con modifiche hardware minime.

La robustezza dei SiC MOSFET nelle più svariate condizioni è un aspetto essenziale per le APU (auxiliary power unit) che alimentano carichi sia convenzionali che di emergenza. Devono quindi essere verificati:

1) stabilità e durata dell'ossido di gate del MOSFET;

2) stabilità e durata del body diode dei MOSFET; e

3) misure di resistenza alla rottura, come la robustezza avalanche.

Stabilità e durata dell’Ossido di Gate dei MOSFET    

Per garantire un funzionamento stabile del convertitore di potenza, i dispositivi di potenza devono avere una deriva o spostamento minimi della tensione di soglia e prestazioni affidabili del dispositivo per tutta la vita utile del convertitore. La Figura 1 mostra come i dati Vth per i MOSFET SiC production-grade non dovrebbero evidenziare alcun cambiamento significativo dopo 1.000 ore di stress test a +175 °C.

Quale sarà la durata dell'ossido di gate può essere prevista accelerando dei campioni fino alla loro rottura utilizzando per questo scopo temperature e campi elettrici elevati. L’ossido di gate di un MOSFET SiC production-grade può durare ben oltre i 100 anni resistendo a sollecitazioni elevate, garantendo sicurezza di funzionamento di routine APU affidabili ben oltre la durata in servizio progettata.

Stabilità del Body Diode

Un MOSFET SiC può condurre corrente inversa utilizzando il suo body diode intrinseco. Rispetto ad una soluzione IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), l'utilizzo di un MOSFET SiC con body diode stabile migliora l'affidabilità e taglia i costi eliminando la necessità di un diodo antiparallelo. Tuttavia, l'affidabilità del body diode varia notevolmente tra i diversi fornitori. In alcuni dispositivi, questo diodo si degrada nel tempo, portando ad un aumento dell'RDS on e al dissipamento di più calore di quanto previsto. La Figura 2 (sopra) mostra le curve I-V del body diode e MOSFET ON-state drain–source resistance (RDSon) dopo molte ore di sollecitazione da corrente diretta costante. I dispositivi Microchip sottoposti a test non mostrano alcuna variazione o deriva percettibile.

Resistenza Avalanche

Le APU di trasporto sono sensibili ad una varietà di condizioni di guasto, che richiedono MOSFET SiC progettati per funzionare in modo sicuro ed affidabile durante questi eventi e mantenere prestazioni costanti prima e dopo i guasti. La robustezza Avalanche è una delle esigenze principali. Le cause di Avalanche di un dispositivo di potenza possono essere molto spesso ricondotte a unclamped induction switching. La corrente di carico viene riversata istantaneamente nel MOSFET, costringendo la tensione di drain-source a salire, fino al verificarsi del guasto. A differenza del corto circuito, i canali MOS non vengono incrementati; la corrente Avalanche si concentra al bordo del die, portando rapidamente il dispositivo oltre i suoi limiti termici. Il fenomeno Avalanche è molto grave per i semiconduttori di potenza a causa del possibile degrado della loro durata dovuto alle sollecitazioni elettriche e al surriscaldamento. La Repetitive unclamped inductive switching (R-UIS) viene utilizzata per valutare la robustezza verso Avalanche di un dispositivo. La Figura 2 (sotto) mostra il time-dependent dielectric breakdown (TDDB) per MOSFET SiC di tipo commerciale prima e dopo i 100.000 cicli di R-UIS.  Molti fornitori mantengono la resistenza dell'ossido, ma la capacità dei MOSFET SiC di Microchip, con una resistenza fino a quattro volte superiore insieme alla stabilità in RDSon e drain-source leakage, rafforza la capacità dei MOSFET SiC di attraversare in tutta sicurezza le condizioni di sovraccarico elettrico più impegnative.

Richiesta di Gate Driver Smart/Intelligenti 

Poiché un gate driver rappresenta un'interfaccia (molto spesso isolata galvanicamente) tra i lati ad alta e bassa tensione e, inoltre, un’affidabile gate control, il monitoraggio e molte altre funzioni di sicurezza, in qualsiasi condizione e/o circostanza, è uno dei sottosistemi più importanti dal punto di vista delle prestazioni e dell'affidabilità.  In condizioni operative normali, il gate driver esegue i comandi ricevuti dal controller host di accensione/spegnimento di un semiconduttore di potenza. I convertitori richiedono gate driver con tempo di inattività regolabile, in modo che il gate driver fornisca un tempo (tempo morto o di inattività) sufficiente a recuperare la capacità di blocco del dispositivo che viene spento. La tensione applicata al gate per porre in funzione il semiconduttore di potenza influisce sul Rds(on) e quindi è un altro parametro importante per ridurre al minimo le perdite di conduzione.

Infine, i resistori di gate definiscono la velocità dei transienti di commutazione e quindi anche il tempo impiegato dal semiconduttore di potenza per accendersi o spegnersi. I progettisti spesso ottimizzano questi parametri in base a varie esigenze. Affidabilità significa quindi anche proteggere il convertitore da guasti che, nel peggiore dei casi, possono essere anche distruttivi. Semplicemente, molti dei parametri e caratteristiche che possono essere assegnati ai gate drive suggeriscono una domanda: possiamo avere driver affidabili che possano essere configurati via software, come nella Figura 3 (sopra), invece che via hardware? La famiglia di gate driver programmabili digitali di Microchip, come quello illustrato nella Figura 3 (sotto), offre ai progettisti la massima flessibilità nella regolazione dei parametri in base alla loro applicazione, al loro profilo di carico e/o ad altri loro requisiti specifici. Inoltre, offrono un feedback in caso di guasti, che può essere utile nella diagnosi di questi ultimi. Oltre a ciò, la famiglia di gate driver digitali di Microchip offre la misura di temperatura e tensione DC link di base. Il cortocircuito nei convertitori di potenza può diventare distruttivo se non adeguatamente gestito. La protezione tramite augmented switching, un brevetto Microchip, limita la corrente di guasto rilevando più rapidamente il guasto stesso e limitando la sovratensione gestendo lo spegnimento tramite una tensione di pilotaggio di un gate multi-step.

Il SiC offre innumerevoli vantaggi nella trazione ferroviaria. Ma il SiC di Microchip  va ben oltre la scheda tecnica nel soddisfare i più severi requisiti applicativi per questo importante e fondamentale settore.