Il SiC (silicon carbide o carburo di silicio) è un semiconduttore composto da silicio e carburo. Il SiC offre numerosi vantaggi rispetto al silicio, tra cui un valore di tre volte superiore dell'intervallo di banda e dieci volte superiore per l'intensità del campo elettrico di rottura; consente una gamma più ampia di controlli di tipo p e di tipo n richiesti per la costruzione del dispositivo
Il risultato ottenuto con la tecnologia SiC consente di accedere a prestazioni innovative, praticamente impossibili da raggiungere col semplice silicio; SiC è il successore più praticabile per i dispositivi di potenza che le applicazioni di nuova generazione necessitano e necessiteranno con maggiore enfasi in futuro. Esiste una certa varietà di politipi di SiC (polimorfi), ciascuno caratterizzato da proprie specifiche proprietà fisiche. Di questi politipi, 4H-SiC è quello che meglio si presta per realizzare i dispositivi di potenza.
Il SiC presenta un'intensità del campo elettrico di rottura 10 volte superiore a quella del silicio, consentendo di configurare dispositivi di alimentazione a tensione più elevata (da 600 V a qualche migliaio di V). Questa caratteristica gli deriva dall’avere un sottile strato di deriva (drift) e una maggiore concentrazione di impurità.
Un tipico diodo a giunzione PN viene aggiornato in un diodo di potenza introducendo un ulteriore strato semiconduttore intrinseco leggermente drogato N. Questo strato leggermente drogato tra gli strati P e N del diodo è chiamato strato drift. L'aggiunta di uno strato di deriva consente a un diodo di potenza di resistere all'alta tensione.
Poiché nei dispositivi ad alta tensione la maggior parte della resistenza si trova nella resistenza dello strato di deriva, il SiC consente di ottenere tensioni di tenuta maggiori con bassi valori di ON-resistance per unità di area. Teoricamente, la resistenza dello strato di deriva per unità di area può essere ridotta di circa 300 volte rispetto al silicio alla stessa tensione di tenuta.
Per ridurre al minimo l'aumento del valore di ON-resistance a tensioni di tenuta più elevate utilizzando il silicio, vengono generalmente utilizzati dispositivi bipolari come gli IGBT (transistor bipolari a gate isolato). Tuttavia, ciò aumenta la perdita di commutazione, che può portare a una maggiore generazione di calore e limitare il funzionamento ad alta frequenza.
Il valore di resistenza tra Drain e Source di un MOSFET durante il funzionamento (ON) è chiamato ON-esistanza; minore è questo valore, minore è la perdita di potenza.
I componenti SiC consentono di ottenere un'elevata tensione mediante dispositivi del tipo diodo a barriera Schottky e MOSFET, consentendo di avere simultaneamente alta tensione, bassa resistenza e funzionamento ad alta velocità.
Un bandgap elevato (in questo caso tre volte superiore) consente a un dispositivo di potenza di funzionare a temperature molto più elevate rispetto al tradizionale Si, ampliando notevolmente il campo di applicazioni.
La combinazione del silicio con il carbonio conferisce al materiale eccellenti proprietà quali un’elevata conduttività termica e un’alta efficienza energetica, die con piccole dimensioni e con una temperatura alla giunzione fino a 200 °C. Si aggiungono un’elevata frequenza operativa con basse perdite di commutazione, una buona gestione termica che riduce le esigenze di raffreddamento e una bassa dilatazione termica con ottima resistenza agli shock termici.
SemiQ e la tecnologia SiC
SemiQ è l’azienda specializzata nella fornitura di semiconduttori di potenza in carburo di silicio di alta qualità, efficienti, nelle versioni standard e personalizzati, per applicazioni ad alta tensione. Il portafoglio di prodotti comprende MOSFET e diodi, disponibili in versione discreta, modulare e bare die, dalle prestazioni elevate e dalla lunga affidabilità. Nelle varie aree di applicazione rientrano l’energia solare, la ricarica dei veicoli elettrici, il settore automobilistico, medico e lo stoccaggio di energia. Dalla fase di concezione iniziale fino alla prototipazione e alla produzione, l’azienda affianca i clienti nella progettazione, nel test e nello sviluppo di soluzioni ottimizzate, fornendo un servizio di supporto tecnico nel più breve tempo possibile.
Recentemente SemiQ ha presentato l’ampliamento della famiglia QSiC coi nuovi moduli MOSFET SiC da 1200 V in configurazioni full-bridge per inverter solari e ricarica dei veicoli elettrici; sono componenti compatti e offrono una perdita di commutazione prossima allo zero, migliorando significativamente l'efficienza della famiglia QSiC. Hanno un basso sviluppo di calore alla giunzione e di conseguenza consentendo l'uso di dissipatori di calore più piccoli. Questi moduli sono testati fino a oltre 1400 V e sono progettati per funzionare in modo affidabile in ambienti ad alta frequenza e ad alta potenza.
Hanno infatti un'elevata tensione di rottura, superiore a 1400 V, e resistono al funzionamento ad alta temperatura avendo Tj = 175 °C con uno spostamento Rds (On) minimo nell'intero spettro di temperature. Rds (On) è la resistenza tra drain e source di un MOSFET quando viene applicata una specifica tensione gate-to-source per polarizzare il dispositivo allo stato ON.
Realizzati in ceramica raggiungono alti livelli di prestazioni, con maggiore densità di potenza e un design compatto, soprattutto in ambienti ad alta frequenza e ad alta potenza. Di conseguenza, sono particolarmente adatti per applicazioni impegnative che richiedono un flusso di potenza bidirezionale o una gamma più ampia di controllo, come inverter solari, azionamenti e caricabatterie per veicoli elettrici (EV), convertitori DC-DC e alimentatori.
I MOSFET da 1200 V massimizzano i guadagni di efficienza nei convertitori DC-DC, migliorando al tempo stesso l'affidabilità e riducendo al minimo la dissipazione di potenza.
Inoltre, nelle applicazioni per inverter solari, la tecnologia di SemiQ consente ai progettisti di ottenere una elevata efficienza (raggiungendo fino al 98%) e design compatti. Aiuta a ridurre la perdita di calore, migliorare la stabilità termica e aumentare l'affidabilità, supportato da oltre 54 milioni di ore di test HTRB/H3TRB.
Per garantire una tensione di soglia del gate stabile e un’alta qualità dell'ossido di gate (gate oxide) per ciascun modulo, SemiQ conduce test di burn-in del gate a livello di wafer.
L'ossido di gate si forma mediante ossidazione termica del silicio del canale per ottenere un sottile strato isolante (5 - 200 nm) di biossido di silicio. Questo strato isolante di biossido di silicio si forma attraverso un processo di ossidazione autolimitante. Lo strato di gate oxide funge da isolante tra l'elettrodo di gate e la regione del canale, controllando il flusso di corrente nel dispositivo. Eventuali difetti o danni allo strato di ossido di gate possono portare a correnti di dispersione, prestazioni ridotte del dispositivo e persino a guasti.
Pertanto, oltre al test di burn-in, che contribuisce a mitigare i tassi di guasto estrinseco, vengono eseguiti vari stress test, tra cui stress di gate, stress di drain ad alta temperatura con polarizzazione inversa (HTRB) e stress ad alta umidità, alta tensione, alta temperatura (H3TRB). Tutti questi test sono impiegati per raggiungere i necessari standard di livello qualitativo come richiesto dai settori automobilistico e industriale. I dispositivi offrono inoltre valori nominali di cortocircuito estesi e tutte le parti sono state sottoposte a test che superano i 1400 V. I nuovi moduli da 1200 V di SemiQ sono disponibili nelle categorie MOSFET SiC da 20 mΩ, 40 mΩ e 80 mΩ; la famiglia di prodotti QSiC half-bridge e full-bridge è disponibile in contenitori SOT-227.
I vantaggi dei MOSFET SiC
L'efficienza energetica è posta in prima linea in ogni progetto, rendere i sistemi di conversione e gestione il più efficienti possibile riduce il periodo di ammortamento dei progetti, riduce gli stress termici e aumenta la loro durata. Alcuni dei principali vantaggi sono:
- Maggiore efficienza: hanno perdite inferiori rispetto ai componenti concorrenti, che portando ad una maggiore efficienza nei sistemi di accumulo di energia con perdite di energia ridotte durante la carica e la scarica.
- Velocità di commutazione elevate: i MOSFET SiC si accendono e si spengono rapidamente, rendendoli vantaggiosi per le applicazioni di commutazione ad alta frequenza, riducendo le perdite e migliorando le prestazioni del sistema.
- Elevata densità di potenza e risposta in temperatura: i SiC SemiQ consentono un’alta densità di potenza nei sistemi di accumulo di energia grazie a perdite inferiori e frequenze di commutazione elevate. Ciò li rende un'ottima scelta per applicazioni con spazio limitato poiché possono immagazzinare e scaricare più energia in spazi ridotti. La gestione della temperatura è ottimizzata a tutto vantaggio dei sistemi di accumulo di energia che lavorano in condizioni difficili. Possono gestire livelli di corrente elevati senza surriscaldarsi grazie al loro ampio intervallo di temperature e alla capacità di funzionare a temperature elevate.
- Requisiti di raffreddamento ridotti: generando meno calore, sono ridotti i requisiti di raffreddamento per i sistemi di accumulo di energia, per le auto elettriche e i loro sistemi di ricarica, caratteristiche con contribuiscono innanzitutto a ridurre i costi, ma anche peso e ingombro.
- Affidabilità e durata: i MOSFET SiC sono disponibili con varie tensioni nominali, adatte ai requisiti delle diverse configurazioni dei vari sistemi. Essendo altamente affidabili e di lunga durata, sono l’ideale per i sistemi di accumulo di energia sottoposti a frequenti cicli di carica e scarica nel corso della loro vita.
Applicazioni dei SiC in automotive
Il potenziamento dell'innovazione deve avvenire attraverso soluzioni su misura, così l’ottimizzazione e la personalizzazione di ciascun modulo sono condotte meticolosamente, garantendo che non solo soddisfino, ma superino con efficienza le esigenze specifiche delle applicazioni ad alta potenza.
I prodotti SiC di SemiQ forniscono affidabilità, qualità e prestazioni migliori della categoria per le applicazioni automobilistiche. Offriamo MOSFET da 1200 V sia in moduli che in contenitori discreti, progettati per massimizzare i guadagni di efficienza.
I convertitori DC-DC sono essenziali per la gestione degli impianti di un veicolo elettrico, garantiscono che tutti i sottosistemi ricevano gli adeguati livelli di tensione necessari per il loro corretto funzionamento, massimizzando al tempo stesso l'efficienza energetica e la sicurezza. Ciò contribuisce alla perfetta integrazione dei componenti ad alta tensione con i sistemi a bassa tensione nei moderni veicoli elettrici.
I moduli di diodi Schottky e i moduli MOSFET, entrambi in tecnologia SiC di SemiQ, funzionano con perdite di commutazione prossime allo zero, aumentando notevolmente l'efficienza e riducendo la generazione del calore (richiedono dissipatori più piccoli). Questi vantaggi sono particolarmente utili per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui alimentatori per sistemi di alimentazione DC, azionamenti di motori, stazioni di ricarica.
L'ampio spettro di componenti di potenza soddisfa le esigenze che emergono nei progetti di sistemi per ricarica rapida ad alta efficienza e affidabilità dedicati ai veicoli elettrici.
I componenti SemiQ da 1200 V sono disponibili in moduli e in contenitori discreti in una gamma di tensioni e correnti offrono il massimo in termini di guadagno e di efficienza per i sistemi di ricarica rapida DC da 300 kW e oltre.
In ambito industriale trovano applicazione nei raddrizzatori per riscaldamento a induzione, apparecchiature di saldatura, ambienti ad alta temperatura, inverter solari, alimentatori, e altro ancora.
SiC ed energy storage
I sistemi di accumulo dell'energia, compresi i sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS), utilizzano sempre più MOSFET al carburo di silicio nella loro elettronica di potenza a causa dei numerosi vantaggi offerti da questi dispositivi. I MOSFET SiC sono particolarmente adatti per applicazioni di accumulo di energia poiché possono migliorare l'efficienza, l’affidabilità e la densità di potenza, di conseguenza le prestazioni complessive del sistema.
Il loro utilizzo, essendo più efficiente, portare a soluzioni molto compatte. Questi vantaggi rendono i MOSFET SiC di SemiQ un'ottima scelta per le moderne applicazioni energetiche come lo stoccaggio su scala di rete, l'integrazione delle fonti rinnovabili, i gruppi di continuità (UPS) e le stazioni di ricarica per veicoli elettrici. Poiché la tecnologia SiC continua ad evolversi e a diventare più accessibile, si prevede che la sua adozione nei sistemi di energy storage aumenterà, migliorando ulteriormente le prestazioni e l’efficienza in una spirale evolutiva.
