I dispositivi SiC superano i GaN nelle Applicazioni Pratiche

di Zhongda Li, NPI Manager United Silicon Carbide Inc.

I dispositivi wide band-gap che cosa promettono

I dispositivi wide band-gap (WBG) come quelli Silicon Carbide (SiC) e Gallium Nitride (GaN) sono i “temi caldi” del momento, portando con loro la promessa di ridurre a valori quasi nulli le dimensioni di ogni apparecchio, dai carica batterie wireless ai convertitori di potenza.

Facciamo un passo indietro e definiamo che cosa sono i dispositivi WBG. I materiali semiconduttori hanno vari elettroni, che occupano livelli distinti intorno al nucleo atomico – le bande di valenza e conduzione. Tali elettroni possono muoversi verso la banda di conduzione e diventare disponibili per il flusso di corrente, ma richiedono energia per farlo. Nei dispositivi WBG l’energia richiesta è molto più grande di quella necessaria per il silicio. Per esempio, il SiC richiede 3,2 elettron-volt (eV) rispetto al 1,1 eV del silicio (Si). La maggiore energia richiesta per spostare gli elettroni nella banda di conduzione nel caso dei dispositivi WBG si traduce, a parità di dimensioni, in una tensione di breakdown più elevata rispetto al silicio a pari dimensioni. Per la stessa ragione, il SiC può sopportare temperature più elevate (energia termica) prima della rottura e, come materiale, ha anche una conducibilità termica circa 3,5 volte migliore del silicio. In pratica queste caratteristiche permettono un funzionamento ad alta temperatura con alti valori di tensione e potenza.

Celle_Sic_GaN_strutturaI dispositivi SiC inizialmente disponibili erano semplici diodi, ma la tecnologia del materiale è migliorata per consentire la produzione di JFET, MOSFET e anche di transistori bipolari.

La Figura 1 mostra una cella di un JFET SiC con costruzione verticale “trench” che permette di ottenere una resistenza Rdson molto bassa, confrontata con una cella GaN HEMT con costruzione laterale.

Sebbene tali dispositivi siano normalmente “ON” con tensione di gate nulla, una configurazione “cascode” di un MOSFET al silicio e di un JFET SiC, nello stesso package, fornisce un dispositivo ibrido con tensioni di gate compatibili con quelle di un classico MOSFET al silicio mantenendo però i vantaggi di un dispositivo WBG (Figura 2).

Configurazione cascode

SiC vs GaN

Arrivato più tardi rispetto al SiC, il GaN ha avuto una lenta adozione a causa del costo, della resa e di problemi di affidabilità. Teoricamente è sicuramente capace di velocità di commutrazione più elevate di SiC e Si, vista la sua mobilità degli elettroni molto più alta, ma a causa di una conducibilità termica più bassa del silicio, il suo potenziale di densità di potenza è limitato. Attualmente i dispositivi SiC sono comuni da circa 650V a 1200V ed anche a valori più elevati, mentre il GaN è limitato a circa 650V, dove fa fatica a competere con il costo più basso e la provata robustezza che il più maturo SiC offre a pari tensione. I fornitori di GaN sperano che si apra il mercato delle tensioni/potenze più basse, inclusi data centers, EV/HEV e fotovoltaico, con conseguente concretizzarsi di cost saving. In ogni caso anche il SiC si rivolge a queste aree, specialmente in applicazioni di convertitori DC/DC bidirezionali e “Totem Pole PFC” (vedi sotto).

Il SiC è già ben consolidato nella catena di fornitura, con dispositivi disponibili anche dagli stock dei distributori, mente quelli GaN devono ancora diventare importanti. Dati da IHS mostrano che questa differenza di utilizzo rimarrà simile almeno fino al 2025, con il mercato combinato del WBG che raggiungerà i 3,5 miliardi di dollari, di cui solo 500 milioni per il GaN.

Probabilmente un fattore che dà al SiC un vantaggio nei sistemi industriali, anche se i valori di tensione del GaN migliorassero, è la capacità del SiC di sopportare le condizioni di “avalanche”, come può succedere con i carichi induttivi. I costruttori hanno quantità di dati che dimostrano l’affidabilità del SiC in condizioni di sovratensione, mentre il GaN non fornisce garanzie oltre al fatto di dire che la tensione massima non dovrebbe essere superata.

Una differenza più tangibile tra i dispositivi è il packaging disponibile; i dispositivi SiC sono normalmente disponibili nei case TO-247 e TO-220, consentendo una rapida sostituzione di Mosfet e IGBT in progetti esistenti e fornendo immediati vantaggi. Invece, i costruttori di dispositivi GaN hanno visto che i package plastici standard con la limitazione di velocità di commutazione dovuta alle intrinseche induttanze interne sono una barriera ad ottenere le migliori performance potenziali.  Hanno quindi normalmente optato per package a montaggio superficiale single-source, che ne limitano l’utilizzo a nuovi progetti. Solo così il progetto del sistema può essere accoppiato alle caratteristiche del dispositivo GaN per ottenere componenti passivi, in particolare magnetici e condensatori, più piccoli.

Ironicamente poi, spesso i vincoli reali per soddisfare le Normative EMI e per mantenere i livelli di dv/dt a valori gestibili obbligano i progettisti a rallentare tramite le resistenze di gate le velocità di commutazione. Per esempio, valori di dv/dt fino a 100V/ns sono facilmente raggiungibili con SiC e GaN, ma dalla I=C*dV/dt si vede che questo produce uno spike di corrente di ben 10A già in soli 100pF di capacità parassita. Allo stesso modo, alti valori di di/dt producono picchi di tensione sulle induttanze disperse.

Dove siamo oggi

I SiC Cascode sono oggi normalmente disponibili con tensioni di 650V e 1200V e correnti fino a circa 85A con Rdson di circa 30mOhm, ed anche i “Super Cascode” – JFET connessi in serie per raggiungere valori di tensione superiori ai 3500V – sono disponibili. Dispositivi fino a 1700V e circa 70A con Rdson di 45mOhm sono anche disponibili come SiC MOSFET piuttosto che come JFET Cascode. Questo significa però che il loro diodo parassita interno è piuttosto lento, al contrario di quanto avviene con il Cascode, e spesso se l’applicazione lo richiede, come ad esempio in circuiti a ponte, deve essere bypassato da un costoso diodo SiC esterno.

I dispositivi GaN arrivano a valori di 650V con circa 60A e  Rdson di 25mOhm, equivalenti a molti SiC, ma teoricamente adatti a commutazioni più veloci. Da notare che i dispositivi GaN disponibili a 100V non sono migliori per quanto riguarda la Rdson dei tradizioni Mosfet e quindi a queste tensioni si affidano solo al vantaggio sulla velocità di commutazione per annullare il significativo costo aggiuntivo rispetto ai Mosfet commodity.

Per il futuro, i dati HIS mostrano chiaramente un aumento significativo dei design-in per i dispositivi WBG, sebbene anche le vendite dei tradizionali IGBT e MOSFET aumenteranno in un mercato in crescita. Il dibattito è su quali dispositivi WBG domineranno i vari segmenti del mercato. La Figura 3 fornisce una visione della possibile futura divisione in potenza e frequenza di commutazione per i dispositivi di potenza, sebbene la presenza dei GaN dipende dalle prospettive di una possibile riduzione dei costi.

SiC vs GaN

Arrivato più tardi rispetto al SiC, il GaN ha avuto una lenta adozione a causa del costo, della resa e di problemi di affidabilità. Teoricamente è sicuramente capace di velocità di commutrazione più elevate di SiC e Si, vista la sua mobilità degli elettroni molto più alta, ma a causa di una conducibilità termica più bassa del silicio, il suo potenziale di densità di potenza è limitato. Attualmente i dispositivi SiC sono comuni da circa 650V a 1200V ed anche a valori più elevati, mentre il GaN è limitato a circa 650V, dove fa fatica a competere con il costo più basso e la provata robustezza che il più maturo SiC offre a pari tensione. I fornitori di GaN sperano che si apra il mercato delle tensioni/potenze più basse, inclusi data centers, EV/HEV e fotovoltaico, con conseguente concretizzarsi di cost saving. In ogni caso anche il SiC si rivolge a queste aree, specialmente in applicazioni di convertitori DC/DC bidirezionali e “Totem Pole PFC” (vedi sotto).

Il SiC è già ben consolidato nella catena di fornitura, con dispositivi disponibili anche dagli stock dei distributori, mente quelli GaN devono ancora diventare importanti. Dati da IHS mostrano che questa differenza di utilizzo rimarrà simile almeno fino al 2025, con il mercato combinato del WBG che raggiungerà i 3,5 miliardi di dollari, di cui solo 500 milioni per il GaN.

Probabilmente un fattore che dà al SiC un vantaggio nei sistemi industriali, anche se i valori di tensione del GaN migliorassero, è la capacità del SiC di sopportare le condizioni di “avalanche”, come può succedere con i carichi induttivi. I costruttori hanno quantità di dati che dimostrano l’affidabilità del SiC in condizioni di sovratensione, mentre il GaN non fornisce garanzie oltre al fatto di dire che la tensione massima non dovrebbe essere superata.

Una differenza più tangibile tra i dispositivi è il packaging disponibile; i dispositivi SiC sono normalmente disponibili nei case TO-247 e TO-220, consentendo una rapida sostituzione di Mosfet e IGBT in progetti esistenti e fornendo immediati vantaggi. Invece, i costruttori di dispositivi GaN hanno visto che i package plastici standard con la limitazione di velocità di commutazione dovuta alle intrinseche induttanze interne sono una barriera ad ottenere le migliori performance potenziali.  Hanno quindi normalmente optato per package a montaggio superficiale single-source, che ne limitano l’utilizzo a nuovi progetti. Solo così il progetto del sistema può essere accoppiato alle caratteristiche del dispositivo GaN per ottenere componenti passivi, in particolare magnetici e condensatori, più piccoli.

Ironicamente poi, spesso i vincoli reali per soddisfare le Normative EMI e per mantenere i livelli di dv/dt a valori gestibili obbligano i progettisti a rallentare tramite le resistenze di gate le velocità di commutazione. Per esempio, valori di dv/dt fino a 100V/ns sono facilmente raggiungibili con SiC e GaN, ma dalla I=C*dV/dt si vede che questo produce uno spike di corrente di ben 10A già in soli 100pF di capacità parassita. Allo stesso modo, alti valori di di/dt producono picchi di tensione sulle induttanze disperse.

Dove siamo oggi

I SiC Cascode sono oggi normalmente disponibili con tensioni di 650V e 1200V e correnti fino a circa 85A con Rdson di circa 30mOhm, ed anche i “Super Cascode” – JFET connessi in serie per raggiungere valori di tensione superiori ai 3500V – sono disponibili. Dispositivi fino a 1700V e circa 70A con Rdson di 45mOhm sono anche disponibili come SiC MOSFET piuttosto che come JFET Cascode. Questo significa però che il loro diodo parassita interno è piuttosto lento, al contrario di quanto avviene con il Cascode, e spesso se l’applicazione lo richiede, come ad esempio in circuiti a ponte, deve essere bypassato da un costoso diodo SiC esterno.

I dispositivi GaN arrivano a valori di 650V con circa 60A e  Rdson di 25mOhm, equivalenti a molti SiC, ma teoricamente adatti a commutazioni più veloci. Da notare che i dispositivi GaN disponibili a 100V non sono migliori per quanto riguarda la Rdson dei tradizioni Mosfet e quindi a queste tensioni si affidano solo al vantaggio sulla velocità di commutazione per annullare il significativo costo aggiuntivo rispetto ai Mosfet commodity.

Sic_vs_Gan

Per il futuro, i dati HIS mostrano chiaramente un aumento significativo dei design-in per i dispositivi WBG, sebbene anche le vendite dei tradizionali IGBT e MOSFET aumenteranno in un mercato in crescita. Il dibattito è su quali dispositivi WBG domineranno i vari segmenti del mercato.

La Figura 3 fornisce una visione della possibile futura divisione in potenza e frequenza di commutazione per i dispositivi di potenza, sebbene la presenza dei GaN dipende dalle prospettive di una possibile riduzione dei costi.

Le applicazioni

La capacità dei dispositivi WBG di lavorare ad alta temperatura con alta velocità di commurazione e basse perdite li rende ideali per applicazioni militari ed industriali dove le prestazioni sono importanti. I circuiti a ponte sono ovvi candidati soprattutto ad alte potenze per inverter, sistemi di saldatura, amplificatori audio in classe D, azionamenti ed altro.

sic cascode

Una applicazione particolare dove si possono vedere sensibili benefici è in uncircuito “bridgeless totem-pole PFC” (Figura 4). In questi circuiti la tecnologia al silicio era penalizzata dalle cattive caratteristiche del diodo parassita dei Mosfet normalmente utilizzati. Questo porta ad usare il così detto “critical conduction mode”, che per contro produce alti picchi di corrente ed elevate EMI. Invece, i SiC JFET Cascode consentono il funzionamento in “continuous conduction mode”, aumentando il rendimento, riducendo le dimensioni dell’induttore e limitando i problemi EMI. Un circuito di test da 1,5kW con tensione di reteda 230Vac ha mostrato un ragguardevole rendimento del 99,4%.

Caratteristiche di robustezza

In applicazioni di alta potenza, la robustezza con transitori di corto circuito e sovratensioni è un problema importante. A questo riguardo un tipico SiC JFET Cascode ha caratteristiche eccellenti. Correnti elevate causano un effetto “pinch-off” che limita la corrente ad un livello di saturazione. Inoltre, il riscaldamento prodotto dalla corrente fa diminuire la conducibilità del canale, fornendo una caratteristica autolimitante. E anche l’alta temperatura di giunzione consentita viene in aiuto.

Per quanto riguarda le sovratensioni, il diodo gate-drain del SiC JFET conduce, causando un flusso di corrente nel circuito di pilotaggio di gate ed accendendo il canale del JFET per bloccare la sovratensione. Di nuovo l’alta temperatura di funzionamento del SiC fornisce un buon margine di sicurezza per significativi livelli di avalanche energy nonostante la relativamente piccola dimensione del chip.

Produttori come United Silicon Carbide Inc. hanno dimostrato la robustezza dei loro dispositivi SiC con campioni qualificati con 1000 ore di funzionamento polarizzati in valanga a 150°C. Come ulteriore misura di fiducia, il 100% dei dispositivi è sottoposto alla prova di avalanche nel test finale.

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