Le tendenze tecnologiche che accrescono l’efficienza nella conversione di potenza
Gli ultimi progressi compiuti nella tecnologia MOSFET a supergiunzione e nei rettificatori al carburo di silicio forniscono ai progettisti ulteriori gradi di libertà per ottimizzare le prestazioni e l’efficienza in applicazioni di conversione di potenza sensibili al costo.
di Michael Piela, Toshiba Electronics Europe GmbH
Introduzione: Il progetto degli alimentatori richiede miglioramenti di efficienza e non solo
Nella spinta verso l’aumento continuo dell’efficienza energetica nei sistemi a commutazione per la conversione di potenza, come i dispositivi di correzione del fattore di potenza e gli alimentatori a commutazione, i MOSFET a supergiunzione e i diodi al carburo di silicio (SiC) ad ampio bandgap sono diventate le soluzioni preferite per i progettisti attenti ai consumi. Entrambe le tecnologie hanno consentito di ottenere dimensioni più piccole del die, unitamente al miglioramento di parametri chiave come la resistenza di on dei MOSFET e la tensione inversa dei diodi, consentendo inoltre ai progettisti di ridurre le dimensioni dei circuiti e di aumentare la densità di corrente. Al continuo aumentare dell’adozione di queste tecnologie di dispositivi da parte del mercato, nuove esigenze stanno uscendo allo scoperto, come il miglioramento delle prestazioni di rumore.
La riduzione dell’emissione di rumore elettromagnetico è desiderabile negli alimentatori di alta fascia per apparecchi quali TV LCD, LED per illuminazione, alimentatori medicali, adattatori per l’alimentazione dei notebook e alimentatori per tablet. Le topologie risonanti a commutazione, come il convertitore LLC con commutazione a tensione nulla, sono popolari per questi tipi di applicazioni, per via delle emissioni elettromagnetiche intrinsecamente contenute che presentano. Attualmente la commutazione al lato primario in un circuito LCC, come mostrato in figura 1 (MOSFET Q1 e Q2), è spesso gestita da transistor a supergiunzione, per ottenere una soluzione di alimentazione compatta ed energeticamente efficiente.
Il progresso nella tecnologia dei transistor a supergiunzione
Il MOSFET a supergiunzione ha consentito ai progettisti di alimentatori di poter ottenere perdite di conduzione significativamente più basse a parità di dimensioni, rispetto a quanto è possibile avere usando i MOSFET planari convenzionali al silicio. Dato che l’architettura del dispositivo assicura inoltre valori ridotti di carica e di capacità di gate, i MOSFET a supergiunzione mostrano anche perdite di commutazione più basse rispetto ai transistor convenzionali al silicio.
La Figura 2a mostra la struttura dei primi dispositivi a supergiunzione, che sono stati tradizionalmente fabbricati usando un processo multi-epitassiale.
Il ricco drogaggio della regione N qui illustrata consente di ottenere una resistenza di on molto più bassa rispetto a quanto è ottenibile nei transistor planari convenzionali. Le regioni di tipo P che circondano il canale N sono strutturate per raggiungere la tensione di rottura desiderata.
Le strutture di tipo N e di tipo P di questi dispositivi sono state fabbricate usando processi multi-epitassiali che presentano di conseguenza dimensioni superiori rispetto al caso ideale e hanno un conseguente impatto sulle dimensioni complessive del dispositivo. La natura della fabbricazione multi-epitassiale impone inoltre restrizioni agli ingegneri sulla minimizzazione della resistenza di on.
I miglioramenti introdotti nel processo di fabbricazione, come il riempimento delle strutture deep trench che consente la fabbricazione di singoli strati epitassiali, ora fornisce ai progettisti una maggiore libertà per ottimizzare il rapporto d’aspetto dei dispositivi a canale N e a canale P e per minimizzare in questo modo la resistenza di on, riducendo anche al contempo le dimensioni del MOSFET. La Figura 2b illustra la quarta generazione della famiglia DTMOS IV di Toshiba, che sfrutta l’epitassia su singolo strato per ottenere una riduzione del 27% nella lunghezza del dispositivo, riducendo al contempo la resistenza di on per unità di area del die del 30%. Anche la famiglia DTMOS V è basata sul processo deep trench, con ulteriori miglioramenti a livello della struttura della cella.
Il processo epitassiale su strato singolo permette inoltre ai MOSFET a supergiunzione di fornire prestazioni più stabili di fronte a variazioni di temperatura. In ultima analisi, questo aiuta a contrastare la tipica riduzione di efficienza che si osserva nei convertitori di potenza alle alte temperature di funzionamento. La Figura 3 mostra come la variazione legata alla temperatura della resistenza di on normalizzata è significativamente ridotta nei dispositivi che si avvalgono delle tecnologie di ultima generazione, i quali offrono così una resistenza di on più bassa del 12% a 150°C.
I FET DTMOS V soddisfano i requisiti di riduzione delle EMI
Con l’arrivo dei dispositivi DTMOS V di quinta generazione, i progettisti possono ora scegliere MOSFET a supergiunzione che assicurano livelli ridotti di rumore, e sono quindi idonei per l’uso nei convertitori di potenza. I FET DTMOS V presentano anche un rapporto ben bilanciato fra bassi livelli di rumore e prestazioni in commutazione. Ciò è ottenuto attraverso una struttura modificata del gate e la lavorazione, che si traduce in una maggiore capacità di trasferimento inverso che si osserva tra gate e drain (CRSS o CGD).
Il rumore emesso è confrontabile con quello che si misura nei dispositivi a bassa EMI della concorrenza, mentre il dispositivo fornisce al contempo le prestazioni superiori in termini di resistenza di on che caratterizzano la tecnologia a supergiunzione. La Figura 4 confronta il livello di EMI emesse dai dispositivi a canale N a 600V di quarta e di quinta generazione con classe di resistenza pari a 0,38mΩ, usati nel circuito di correzione del fattore di potenza di un alimentatore di un televisore, ed evidenzia una riduzione significativa dell’interferenza offerta dall’ultima tecnologia.
I diodi rettificatori diventano più robusti con i progressi nella tecnologia SiC
Con funzioni complementari rispetto agli interruttori di potenza ad eterogiunzione in tecnologia deep-trench ad alta efficienza e ad elevata densità di corrente, le nuove generazioni di diodi al carburo di silicio (SiC) combinano l’efficienza energetica intrinsecamente superiore rispetto ai dispositivi standard al silicio, con una maggiore densità di corrente, valori più elevati di corrente e maggiore robustezza, oltre ad un migliore rapporto costo-prestazioni.
Un riepilogo dei vantaggi della tecnologia SiC
Le proprietà del carburo di silicio (SiC) consentono ai diodi a barriera Schottky (SBD) in tecnologia SiC di assicurare un recupero inverso rapido e stabile al variare della temperatura, confrontabile con quello degli SBD convenzionali al silicio, il che garantisce prestazioni di spegnimento caratterizzate da un’elevata efficienza energetica, e l’assenza di correnti di perdita relativamente elevate e dipendenti dalla temperatura che invece caratterizzano gli SBD convenzionali, le quali possono dare luogo a instabilità termica se non viene ridotta la tensione inversa. Inoltre, le proprietà dell’ampio bandgap del SiC consentono al dispositivo di sopportare tensioni più alte in relazione alle dimensioni del die, permettendo di avere dispositivi a 650V e a 1200V alloggiati in package standard a montaggio superficiale e in package a foro passante. Questa combinazione di caratteristiche rende i diodi al SiC ideali per applicazioni quali la correzione del fattore di potenza, quando sono usati, come illustrato in figura 5, in abbinamento ad un MOSFET a supergiunzione ad alta velocità come ad esempio un dispositivo DTMOS IV di tipo X.
Le figure 6a e 6b illustrano l’architettura migliorata degli SBD al SiC confrontata con l’architettura SBD standard al silicio.
Una generazione emergente di dispositivi
Gli obiettivi chiave per l’ultima generazione di SBD da 650V al SiC sono stati l’aumento delle prestazioni a parità di costo dei dispositivi, e l’incremento della capacità massima di sovracorrente diretta, per fornire in questo modo dispositivi più robusti in grado di resistere a condizioni eccezionalmente ostili.
Come per i semiconduttori LSI, le dimensioni del die nei semiconduttori di potenza costituiscono un importante fattore decisivo del costo dei dispositivi. Lo sviluppo dell’architettura di SBD al SiC di seconda generazione ha mirato a ridurre lo spessore del die. Il risultato è stato una riduzione dei due terzi dello spessore, che assicura un relativo risparmio di costi, ed un incremento al contempo della densità di corrente anche di un fattore 1,5.
Per aumentare la capacità di supportare sovracorrenti e quindi per fornire dispositivi più robusti per applicazioni di commutazione di potenza, l’architettura di prima generazione è stata modificata per minimizzare la modulazione della conduttività (misurata usando la tensione diretta del diodo VF), per supportare in questo modo una sovracorrente massima diretta IFSM più elevata. La figura 7 mostra come questo è stato ottenuto ottimizzando l’area della regione P+.
I cambiamenti introdotti nell’architettura del diodo hanno modificato la relazione fra la densità di corrente e VF, aumentando la tensione in corrispondenza della quale la modulazione della conduttività inizia a verificarsi, come mostrato in figura 8. Ciò fa sì che il dispositivo abbia una IFSM più alta. Di conseguenza, l’architettura di seconda generazione permette di aumentare IFSM al di là dei valori massimi supportati dai dispositivi di prima generazione.
Conclusione
I progettisti di alimentatori sono sotto pressione per soddisfare l’inarrestabile domanda di maggiore efficienza energetica, affidabilità e miniaturizzazione, con vincoli di costo sempre più stringenti. Per di più c’è meno tempo a disposizione per provvedere alla soppressione delle EMI durante il processo di progettazione.
Il successo dipende dalla capacità di sfruttare le ultime tecnologie di semiconduttori di potenza che forniscono una resistenza di on-più bassa e prestazioni di rumore migliori nel caso dei MOSFET di potenza, e perdite ridotte con una maggiore stabilità in temperatura nel caso dei diodi rettificatori. L’ultima generazione di MOSFET a supergiunzione e di diodi SiC fornisce questi progressi, oltre ad assicurare prestazioni migliori di commutazione, una maggiore robustezza ed affidabilità e una densità di corrente più elevata, ad un prezzo che può essere economicamente giustificabile per applicazioni sensibili al costo.
Rif: 6895/A
