La propulsione elettrica è sempre più diffusa in tutti i campi della tecnologia. L’industria, i trasporti, la domotica e altri settori utilizzano sempre più le energie rinnovabili. Per poter utilizzare bene tale energia è necessario adottare e utilizzare massicciamente i convertitori, che hanno lo scopo di convertire una tipologia di energia in un altra più idonea all’uso finale. Oggi, gli sforzi delle aziende sono rivolte a diminuire il peso e l’ingombro dei convertitore, oltre che aumentarne l’efficienza. Un metodo per rendere più leggeri i dispositivi è quello di incrementare la frequenza di commutazione. Inoltre i componenti di commutazione non hanno, oggi, velocità operative molto elevate e, purtroppo, una parte di energia è inevitabilmente persa nel processo di conversione (per fortuna sempre meno, con l’avvento di nuovi componenti elettronici). Vediamo come determinare il tasso delle perdite di commutazione nei MOSFET SiC usando il programma di simulazione “LTspice”.

Switching Losses

La trasformazione di energia elettrica, da un livello a un altro, rappresenta una sfida tecnologica, rivolta all’ottimizzazione dell’efficienza. Le maggiori difficoltà sono quelle dedicate a contrastare le perdite di energia durante il cambiamento di stato di un dispositivo, nel transitorio di commutazione. Infatti la dissipazione di potenza di un MOSFET avviene quando sia la corrente di drain che la tensione drain-source hanno una valore maggiore di zero. Relativamente a una modulazione sinusoidale, la perdita media di potenza per un transistor in regime SPWM è determinata dalla formula in figura 1.

I suoi parametri numerici sono i seguenti:

• f(sw): è la frequenza di commutazione dell’inverter;
• E(T,on): è la perdita di energia di commutazione in stato di ON;
• E(T,off): è la perdita di energia di commutazione in stato di OFF.

Gli IGBT possono gestire tensioni di 5 kV e correnti di 1000 A, ma la frequenza di commutazione non può superare i 100 kHz. I MOSFET lavorano bene in alta frequenza di commutazione (anche nell’ordine dei MHz) ma sono caratterizzati da una resistenza in ON relativamente elevata, con alte perdite di conduzione e limiti di tensione al di sotto di 600 V. Teoricamente, i dispositivi SiC possono superare tali problematiche. I dispositivi basati su SiC presentano numerosi vantaggi rispetto ai dispositivi basati su Si, come ridotte perdite di energia e alta frequenza di commutazione. Inoltre causano meno perdite durante le transizioni ON-OFF grazie alla capacità elettrica interna più ridotta. Queste caratteristiche contribuiscono ad aumentare l’efficienza del convertitore e ridurre il suo peso e le sue dimensioni. Purtroppo i MOSFET SiC (come tutti gli altri componenti di commutazione), sono dispositivi reali e presentano perdite di commutazione. Queste si verificano per una caduta di tensione non nulla durante la conduzione e per le transizioni non ideali e non sincronizzate tra l’accensione e lo spegnimento. La tecnologia cerca continuamente di migliorare i componenti elettronici, al fine di raggiungere altissime velocità operative e impedenze bassissime di funzionamento.

Analisi statica

Sebbene i SiC MOSFET abbiano una resistenza RDS(on) sempre più bassa, a grandi potenze le perdite sono importanti. Diamo uno sguardo allo schema di figura 2, per osservare il comportamento statico del circuito. I parametri operativi sono i seguenti:

• VCC: 48 V;
• Vg: 20 V;
• Vd: 799.28893 mV;
• R(LOAD): 5 Ohm;
• I(LOAD): 9.4401426 A;
• PD(LOAD): 445.58144 W.

L’efficienza del circuito è di:

Eff = P(out) / P(in) * 100

da cui:

Eff = 445.58144W / 453.12685W * 100

Eff = 98.335 %

A funzionamento statico, dunque, il circuito presenta nativamente una perdita in condizione di ON, in quanto l’interruttore elettronico non è ideale ma presenta una piccolissima resistenza. Minore è questa resistenza e maggiore sarà l’efficienza del circuito. Lo stesso circuito ci permette di calcolare la RDS(on) del SiC, esaminando la tensione tra il Drain e il Source e la corrente che passa attraverso esse:

RDS(on) = ( Vd – Vs ) / Id

da cui:

RDS(on) = ( 799.28893mV – 0 ) / 9.4401426 A

RDS(on) = 0.084669

praticamente si comporta quasi come un interruttore chiuso, confermando anche le specifiche riportate nel datasheet ufficiale del produttore del SiC UF3C065080T3S, che attesta una resistenza tipica di 80 milliOhm. Possiamo anche calcolare la resistenza RDS(off) collegando a massa il gate del MOSFET e misurando la resistenza con la medesima formula:

RDS(off) = ( Vd – Vs ) / Id

da cui:

RDS(off) = ( 47.999928V – 0 ) / 14.797931 uA

RDS(off) = 3243691.83773 Ohm

Praticamente si comporta quasi come un interruttore aperto.

Analisi dinamica

Esaminiamo, adesso, il comportamento del MOSFET durante le fasi di commutazione ON-OFF, in regime dinamico e di funzionamento. Come detto prima, gli interruttori elettronici, seppur dotati di ottime caratteristiche di potenza, velocità e bassa resistenza, non hanno un comportamento ideale (vedi schema elettrico di figura 3). Per questi motivi tutti i circuiti di conversione sono affetti da diverse perdite di commutazione.

Si verificano, infatti, delle perdite di potenza dovute alle transizioni non ideali, ossia i passaggi di stato non sono istantanei e non risultano simultanei. In altre parole le transizioni di tensione e di corrente non avvengono nello stesso istante. Ne consegue una perdita di potenza, come si può osservare nel grafico di cui alla figura 4. A causa di questa non simultaneità degli eventi, l’energia persa durante una transazione ON-OFF è elevata. Nel grafico possiamo osservare i seguenti segnali:

• segnale di colore verde: è la tensione di Drain che commuta da 48 V a quasi 0 V. La frequenza di commutazione, nell’esempio, è di 100 kHz;
• segnale di colore celeste: è la corrente che attraversa il Drain (e anche il carico) e il suo valore è di circa 9.4 A. Ovviamente tale segnale ha una fase opposta a quella della tensione;
• segnale di colore rosso: è la potenza dissipata dal MOSFET, con la relazione V(Vd)*Ix(X1:nd)+V(Vg)*Ix(X1:ng). Come si può notare il suo picco massimo (115.27 W) si trova in corrispondenza del cambio di stato dell’inverter e la durata del picco è di alcuni nanosecondi.

Un modo per ridurre le perdite di commutazione è quello di generare delle transizioni degli elementi di commutazione a tensione nulla (ZVS) o a corrente nulla (ZCS). Per questo scopo si possono implementare le soluzioni di “soft switching” e “hard switching”.

Conclusioni

La modellazione analitica dei transitori di commutazione può costituire un utile approccio per comprendere il comportamento di commutazione dei MOSFET SiC. Una simulazione finalizzata al calcolo delle perdite di potenza presuppone l’utilizzo di ottimi modelli SPICE. Molti modelli, attualmente, risultano estremamente complessi oppure funzionano male e sono approssimati, producendo risultati finali imprecisi. A ogni modo esistono diverse tecniche per migliorare il sistema di commutazione e aumentare l’efficienza dei circuiti di conversione di energia elettrica.