I progettisti impegnati nello sviluppo di applicazioni elettro­niche ad alta potenza, tra cui veicoli elettrici, azionamenti per motori elettrici industriali e gruppi di continuità (UPS – Uninterruptible Power Supply) stanno traendo sempre mag­giori vantaggi dalle proprietà del carburo di silicio (SiC – Silicon Carbide).

Questo materiale ad ampia banda proibita (WBG) può vantare un’intensità di campo che provoca la rottura del dielettrico più elevata e una migliore conducibilità termica rispetto al silicio (Si), caratteristiche che permettono di realizzare dispositivi con valori di RDS(on) e di capacità di commutazione inferiori.

La conseguente riduzione delle perdite di conduzione e di com­mutazione ad alta frequenza dei dispositivi SiC consente l’imple­mentazione di soluzioni più efficienti contraddistinte da densità di potenza maggiori.

Le prestazioni di un determinato dispo­sitivo SiC dipendono in larga misura da numerosi parametri chiave, i cui valori tipici sono riportati sul datasheet del pro­duttore. Anche se i progettisti possono ef­fettuare stime delle prestazioni sulla base di queste informazioni, i valori effettivi possono variare in modo significativo in funzione del progetto e delle condizioni operative della soluzione finale.

La scelta ottimale del dispositivo si basa quindi sulla corretta comprensione del suo comportamento nell’intera gamma di condizioni operative di una determinata applicazione.

In questo articolo, dopo la descrizione di una serie di test e simulazioni condotti allo scopo di ottenere una caratterizzazio­ne completa, verrà eseguito un confronto tra due differenti MOSFET SiC, uno appar­tenente alla nuova famiglia EliteSiC M3S di onsemi mentre l’altro è un dispositivo di un concorrente.

Perdite di potenza di un MOSFET che agisce come un commutatore

Le perdite di potenza totali di un MOSFET SiC sono date dalla somma delle perdite di conduzione, o statiche, e di quelle di commutazione, o dinamiche.

Le perdite di conduzione si verificano quan­do il dispositivo è nello stato di “on” (acce­so) e sono ascrivibili in larga misura alla resistenza del percorso della corrente che scorre tra il drain e il source, (RDS(on)), e dalla caduta di tensione ai capi del diodo intrin­seco (VSD). Le perdite di commutazione, dal canto loro, sono influenzate principalmen­te dalle capacità del dispositivo (Coss, Ciss and Crss) e dalla carica di recupero inversa (Qrr).

Quando il dispositivo commuta, i tempi (finiti) di carica e scarica delle capacità del dispositivo, unitamente al tempo di re­cupero inverso del diodo intrineco (body diode) definiscono i tempi di salita e di­scesa di corrente e tensione.

Le maggiori velocità di commutazione dei progetti che utilizzano MOSFET SiC contri­buiscono a ridurre le perdite rispetto a quel­le che si avrebbero utilizzando MOSFET in silicio, ma sono limitate dai parametri del dispositivo appena sopra delineati. Velocità di commutazione più elevate possono pro­vocare l’introduzione di eventi potenzial­mente pericolosi come le false accensioni (PTO – Parasitic Turn On) e le interferenze elettromagnetiche (EMI). Per questo motivo i progettisti devono valutare con attenzione le caratteristiche di un dispositivo rispetto ai requisiti, in termini di perdite di potenza, della particolare applicazione considerata.

Validazione delle caratteristiche dei MOSFET SiC

Nella tabella 1 vengono riassunti i para­metri principali ricavati dai datasheet dei due dispositivi sottoposti al collaudo, ov­vero il MOSFET NVH4L022N120M3S di onsemi e quello concorrente.

Tabella 1 – Informazioni riportate sui datasheet dei due dispositivi sottoposti a collaudo

Per caratterizzare in modo completo que­sti parametri su una gamma significativa di progetti e di condizioni operative, en­trambi i dispositivi sono stati sottoposti a una serie di test di caratterizzazione uti­lizzando la configurazione di collaudo a doppio impulso schematizzata in figura 1.

Figura 1 – Schema a blocchi semplificato del circuito di collaudo a doppio impulso.

Questi test si pongono 3 obiettivi:

• Validare e confrontare le caratteristiche statiche di ciascun dispositivo.

Come discusso in precedenza, RDS(on) e VSD sono i parametri che influenzano in misu­ra maggiore le perdite di conduzione. Per entrambi i dispositivi RDS(on) è stata carat­terizzata a temperature di giunzione di 25 e 175°C, mentre le misure di RDS(on) sono state eseguite per due valori di tensione tra gate source (VGS pari a 15 e 18 V) utilizzan­do un impulso di conduzione di ampiezza pari a 300µs. I risultati di questi test, ri­portati in figura 2, mostrano chiaramente che per entrambi i dispositivi RDS(ON) varia sia con VGS sia con la temperatura e che il dispositivo del concorrente è caratterizza­to da valori di RDS(on) leggermente inferiori in entrambe le condizioni di collaudo.

Figura 2 – Confronto tra i valori di RDS(on) di entrambi i MOSFET a 25°C (a sinistra) e 175°C (a destra)

Per tutti e due i dispositivi, la tensione VSD è stata misurata utilizzando tre diversi valori di corrente tra source e drain (ISD) per tre differenti temperature di giunzione, come riportato nella tabella 2. L’esame di questa tabella permette di valutare l’entità della variazione della VSD di ciascun dispositivo in funzione sia di ISD sia della temperatura operativa e di evidenziare il fatto che i valori di VSD del dispositivo NVH4L022N120M3S di onsemi sono inferiori per tutte le tensio­ni e temperature misurate. Questi valori in­feriori di VSD si traducono in minori perdite di conduzione per il dispositivo della serie EliteSiC M3S di onsemi.

Tabella 2 – Confronto dei valori della tensione VSD in differenti condizioni di test.

• Validazione e confronto delle caratteri­stiche dinamiche di ciascun dispositivo

I parametri che concorrono in misura mag­giore alle perdite di commutazione in un MOSFET SiC sono la capacità di ingresso (Ciss), di uscita (Coss), di trasferimento inver­so (Crss) e la carica di recupero inversa del diodo intrinseco (Qrr). Solitamente, valori inferiori di questi parametri si traducono in una riduzione delle perdite.

Nella figura 3 sono riportate le variazioni delle capacità dei due dispositivi in funzio­ne della tensione tra drain e source (VDS).

Figura 3 – Confronto delle capacità di ingresso (Ciss), uscita (Coss) e di trasferimento inverso (Crss).

In questo caso, l’area ad alta tensione di queste curve è la regione di maggiore inte­resse, perchè la tensione tra drain e source viene mantenuta a un valore notevolmen­te superiore a 6 V nelle applicazioni di commutazione. Si può quindi notare che i valori di Ciss, Coss e Crss sono tutti inferio­ri nel caso di NVH4L022N120M3S, una conferma del fatto che le perdite di accen­sione (turn-on) e spegnimento (turn-off) di quest’ultimo sono inferiori rispetto a quelle del dispositivo concorrente.

Le condizioni di test della carica di re­cupero inversa del diodo intrinseco (Qrr) sono state le seguenti: ID = 40 A e di/dt = 3 A/ns (con i valori di RG regolati per il medesimo valore di di/dt) a 25 °C. I risul­tati del test, riportati in figura 4, hanno evidenziato che le prestazioni di recupero inverso di NVH4L022N120M3S sono mi­gliori rispetto a quelle del dispositivo della concorrenza.

Ciò è dovuto ai seguenti fattori: tempo di recupero inverso più breve, carica di recu­pero inversa inferiore e minore energia di recupero inverso.

Figura 4 – Confronto tra le perdite di recupero inverso del dispositivo M3S (a sinistra) e di quello concorrente (a destra).

• Misura delle perdite di energia di com­mutazione di ciascun dispositivo per diversi carichi e temperature operative

Le perdite di energia di commutazione per entrambi i dispositivi sono state misurate per diverse condizioni di corrente di ca­rico a 25 e 175 °C (Figure 5 e 6). Queste le condizioni di test:

Vin = 800 V

• RG = 4.7 Ω
• VGS_on = +18 V
• VGS_off = −3 V
• ID = 5 − 100 A

In media, rispetto al dispositivo della con­correnza, M3S ha fatto registrare una ri­duzione delle perdite di commutazione in misura pari al 5% (a 25 °C) e al 9% (a 175 °C)
con correnti di carico comprese tra 5 e 100 A. Ciò è dovuto principalmente alle migliori prestazioni relative alle perdite EON (ovvero alle perdite di energia in fase di turn-on), ottenute grazie alla tecnologia di processo utilizzata per la realizzazione dei dispositivi M3S.

Figura 5 – Confronto tra le perdite di energia di commutazione alla temperatura di 25 °C.

Figura 6 – Perdite di energia di commutazione a 175 °C.

Simulazione delle prestazioni dei MOSFET in una tipica applicazione automotive

La crescita del mercato dei veicoli elettrici ha comportato un aumento della richiesta di sistemi di conversione di potenza com­patti e sempre più efficienti. La topologia PFC trifase di tipo boost, che prevede sei dispositivi di commutazione (Figura 7) è molto diffusa nei caricatori di bordo (OBC – On-Board Charger) utilizzati in ambito automotive. Come confronto finale tra i due MOSFET SiC sono state condotte si­mulazioni (utilizzando PSIM) di un circui­to PFC di tipo boost trifase al fine di con­frontare l’efficienza del sistema utilizzando separatamente ciascun dei due MOSFET. Le condizioni di test sono di seguito rias­sunte:

• VaLL = VbLL = VcLL = 400 V
• fline = 50 Hz
• RG = 4.7Ω
• VOUT = 800 V
• POUT = 11 kW (max)

Figura 7 – Topologia di un circuito PFC trifase di tipo boost

I risultati della simulazione hanno evi­denziato che il circuito boost PFC trifase che ha utilizzato il MOSFET SiC NVH4L­022N120M3S presenta un’efficienza supe­riore per tutti i punti di funzionamento.

Figura 8 – Stime simulate: confronto dell’efficienza per differenti livelli di potenza.

Tecnologia M3S: la scelta migliore per le applicazioni di commutazione

I dispositivi SiC sono utilizzati in misu­ra sempre maggiore nelle applicazioni di elettronica di potenza al posto dei disposi­tivi tradizionali in silicio in quanto assicu­rano maggiore efficienza, minori perdite di conduzione e commutazione e possi­bilità di operare a frequenze più elevate, consentendo così lo sviluppo di progetti con densità di potenza più elevata.

Progettata per garantire un equilibrio ot­timale tra perdite di commutazione e di conduzione, la tecnologia M3S di onsemi soddisfa “in toto” i requisiti delle appli­cazioni a elevata frequenza: esempi tipici sono i caricatori di bordo e altri sistemi automotive ad alta tensione come i con­vertitori DC/DC. I MOSFET M3S come NVH4L022N120M3S sono ideali per l’uso negli stadi PFC e in numerose altre appli­cazioni che richiedono una commutazio­ne di tipo “hard switching”.

Fatih Cetindag Applications Engineer – Automotive