La terza generazione di semiconduttori a banda proibita ampia, rappresentata dal carburo di silicio, è in grado di funzionare normalmente in ambienti con temperature, tensioni e frequenze più elevate, consumando meno energia e offrendo maggiore durata e affidabilità. Ciò aprirà la strada a un salto di qualità per la prossima generazione di prodotti di elettronica di potenza più piccoli, veloci, economici ed efficienti.

Lo sviluppo e l'industrializzazione della tecnologia dei dispositivi elettronici di potenza al carburo di silicio apriranno nuove applicazioni nei sistemi di alimentazione ad alta tensione e avranno un profondo impatto sulla trasformazione del sistema energetico. Le eccellenti caratteristiche di alta efficienza, alta tensione, alta temperatura e alta frequenza dei dispositivi elettronici di potenza al carburo di silicio conferiscono loro un grande potenziale applicativo nei settori degli elettrodomestici, del risparmio energetico dei motori, dei veicoli elettrici, delle reti intelligenti, dell'industria aerospaziale, dell'esplorazione petrolifera, dell'automazione, dei radar e delle comunicazioni.

Introduzione ai dispositivi elettronici di potenza al carburo di silicio

1. Definizione di carburo di silicio (SiC)

I dispositivi elettronici di potenza in carburo di silicio (SiC) sono dispositivi elettronici di potenza a banda proibita ampia realizzati con il materiale semiconduttore di terza generazione SiC. Presentano caratteristiche di elevata resistenza alle alte temperature, alta frequenza ed elevata efficienza. In base alla forma di funzionamento, i dispositivi elettronici di potenza in SiC includono principalmente diodi di potenza e transistor di commutazione di potenza. I diodi di potenza comprendono i diodi Schottky a barriera di giunzione (JBS), i diodi PiN e i diodi a supergiunzione; i transistor di commutazione di potenza includono principalmente transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET), transistor a effetto di campo a giunzione (JFET), transistor bipolari a commutazione (BJT), transistor bipolari a gate isolato (IGBT), tiristori a spegnimento di gate (GTO) e tiristori a spegnimento di emettitore (ETO), ecc.

2. Vantaggi tecnici

Le eccellenti proprietà dei semiconduttori al carburo di silicio conferiscono ai dispositivi elettronici di potenza basati sul carburo di silicio i seguenti notevoli vantaggi rispetto ai dispositivi al silicio:

(1) Presenta una resistenza di conduzione inferiore. A bassa tensione di rottura (circa 50 V), la resistenza di conduzione specifica dei dispositivi al carburo di silicio è di soli 1.12 μΩ, ovvero circa 1/100 di quella di dispositivi al silicio simili. Ad alta tensione di rottura (circa 5 kV), la resistenza di conduzione specifica aumenta a 25.9 mΩ, ovvero circa 1/300 di quella di dispositivi al silicio simili. Una minore resistenza di conduzione consente ai dispositivi elettronici di potenza al carburo di silicio di avere minori perdite di conduzione, ottenendo così una maggiore efficienza complessiva della macchina.

(2) Ha una tensione di rottura più elevata. Ad esempio: i diodi Schottky al silicio commerciali hanno solitamente una tensione nominale inferiore a 300 V, ma la tensione nominale del primo diodo Schottky al carburo di silicio commerciale ha raggiunto i 600 V; la tensione nominale del primo MOSFET al carburo di silicio commerciale è di 1200 V, mentre la maggior parte dei MOSFET al silicio comunemente utilizzati sono inferiori a 1 kV.

(3) Una minore resistenza termica giunzione-involucro fa sì che la temperatura del dispositivo aumenti più lentamente.

(4) Temperatura operativa massima più elevata. Si prevede che l'estrema stabilità operativa del carburo di silicio raggiunga oltre i 600 °C, mentre la temperatura di giunzione massima dei dispositivi al silicio è di soli 150 °C.

(5) Maggiore resistenza alle radiazioni, che può ridurre il peso delle apparecchiature di schermatura dalle radiazioni quando utilizzate nell'aviazione e in altri campi.

(6) Maggiore stabilità, le caratteristiche di polarizzazione diretta e inversa dei dispositivi al carburo di silicio cambiano molto poco con la temperatura.

(7) Minori perdite di commutazione. I dispositivi al carburo di silicio hanno piccole perdite di commutazione e possono operare a frequenze di commutazione più elevate (>20 kHz) che sono difficili da raggiungere con i dispositivi al silicio a livelli di potenza di decine di kilowatt.

3. Categorie principali

(1) Diodo Schottky al carburo di silicio

Essendo un dispositivo unipolare, il diodo a barriera Schottky (SBD) non presenta iniezione e accumulo di portatori aggiuntivi durante il processo di conduzione, pertanto non ha praticamente corrente di recupero inversa. Il suo processo di spegnimento è molto rapido e le perdite di commutazione sono molto basse. Tuttavia, poiché la barriera Schottky del silicio è bassa, la corrente di dispersione inversa dell'SBD al silicio è relativamente elevata e la tensione di blocco è bassa. Può essere utilizzato solo in situazioni a bassa tensione, da cento a duecento volt. I diodi PiN sono solitamente utilizzati in situazioni con tensioni più elevate, ma la loro corrente di recupero inversa è elevata e le perdite di commutazione sono elevate. Grazie all'elevata intensità del campo elettrico critico di rottura a valanga dei materiali in carburo di silicio, è relativamente facile produrre SBD in carburo di silicio con una tensione di rottura inversa superiore a 1000 V.

Grazie a questi vantaggi unici del SiC, i produttori di dispositivi a semiconduttore come Cree realizzano diodi Schottky in SiC ad alta tensione con una corrente per singolo dispositivo di 1-20 A e livelli di tensione di 300 V, 600 V e 1200 V. La Tabella 1 mostra i principali produttori internazionali di diodi Schottky in carburo di silicio e i livelli dei loro dispositivi commerciali. Cree ha appena lanciato il suo ultimo diodo Schottky in carburo di silicio con livello di tensione di 1700 V. Nelle applicazioni di commutazione ad alta tensione, i diodi Schottky in SiC offrono prestazioni quasi ideali. Hanno una tensione di recupero diretta quasi nulla, quindi possono accendersi immediatamente. A differenza della capacità di giunzione, la loro carica immagazzinata è anche molto piccola e possono spegnersi rapidamente.

(2) Transistor di potenza al carburo di silicio

L'azienda americana SemiSouth ha condotto ricerche approfondite sui JFET al carburo di silicio ed è attualmente il principale fornitore al mondo di dispositivi JFET al carburo di silicio per uso commerciale. La tensione nominale massima dei suoi prodotti SiC JFET raggiunge i 1700 V e la corrente nominale massima è di 30 A.

Grazie alle caratteristiche superiori e alle applicazioni di successo dei MOSFET al silicio, i MOSFET al carburo di silicio sono diventati i dispositivi più diffusi nella ricerca sui dispositivi elettronici di potenza al carburo di silicio. L'azienda americana Cree ha assunto un ruolo di primo piano nella ricerca sui MOSFET al carburo di silicio e ha lanciato sul mercato due prodotti commerciali, 10A/1200V e 20A/1200V, diventando l'unico produttore al mondo a fornire MOSFET discreti al carburo di silicio commercialmente disponibili. Anche la giapponese Rohm Corporation sta promuovendo attivamente il processo di commercializzazione dei suoi MOSFET al carburo di silicio. Questi primi DMOSFET a canale N in SiC erano principalmente destinati ad applicazioni a 1200V. I MOSFET in SiC a questo livello di tensione presentano vantaggi maggiori rispetto agli attuali dispositivi al silicio.

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Stato di sviluppo dei dispositivi al carburo di silicio all'estero 1. Stati Uniti

Già nel 1997, nel "Piano nazionale per la difesa e la scienza", gli Stati Uniti definirono chiaramente gli obiettivi di sviluppo dei semiconduttori a banda proibita ampia (wide-bandgap). Nel 2014, il Presidente Obama ha guidato personalmente la creazione dell'alleanza industriale di terza generazione per i semiconduttori a banda proibita ampia, rappresentata dal SiC, al fine di supportare pienamente la tecnologia dei semiconduttori a banda proibita ampia e renderla leader nell'innovazione tecnologica per la prossima generazione di produzione di elettronica di potenza. L'alleanza ha ricevuto finora un totale di 140 milioni di dollari di finanziamenti da parte del governo federale e locale. Il suo obiettivo è rendere la tecnologia dei semiconduttori a banda proibita ampia competitiva in termini di costi con l'attuale tecnologia di elettronica di potenza basata sul silicio entro i prossimi cinque anni, trasformandola nella prossima generazione di chip e dispositivi elettronici di potenza a risparmio energetico, efficienti e ad alta potenza. Questa tecnologia guiderà molti dei mercati industriali più grandi e in più rapida crescita al mondo, tra cui l'elettronica di consumo, le apparecchiature industriali, le comunicazioni, le energie pulite, ecc., migliorando in modo complessivo la competitività internazionale e creando posti di lavoro ben retribuiti.

2. Giappone

Dal 1998, il governo giapponese ha continuato a finanziare la ricerca sulla tecnologia dei semiconduttori a banda proibita ampia. Nel 2013, il Giappone ha incluso il sistema di materiali SiC nella "Strategia del Primo Ministro", ritenendo che il 50% del risparmio energetico futuro sarà raggiunto grazie ai dispositivi SiC, al fine di creare una nuova era di energia pulita. Negli ultimi anni, la New Energy Industrial Technology Development Organization (NEDO) giapponese ha avviato un piano di ricerca relativo ai dispositivi elettronici di potenza SiC, concentrandosi sull'applicazione dei moduli di potenza SiC nei sistemi di circuiti delle locomotive ferroviarie, in diversi sistemi di scambio di energia, nella generazione di energia e nei sistemi di recupero del calore di scarto dei turbocompressori elettrici integrati, nelle apparecchiature mediche all'avanguardia e nella miniaturizzazione degli acceleratori, al fine di raggiungere gli obiettivi di risparmio energetico e miglioramento dell'efficienza.

3. Unione europea

Nel 2014, l'Unione Europea ha lanciato un programma di ricerca triennale (2014-2017) sulla tecnologia di potenza SiC per sistemi di potenza ad alta efficienza (SPEED), con un investimento totale di 18.58 milioni di euro. Al programma hanno partecipato 12 istituti di ricerca e aziende in 7 paesi. L'obiettivo di questo programma è quello di conquistare congiuntamente la tecnologia dei dispositivi elettronici di potenza SiC riunendo i principali produttori e ricercatori mondiali, superare il collo di bottiglia tecnico dell'intera catena industriale dei dispositivi elettronici di potenza SiC e raggiungere un'ampia applicazione nel campo delle energie rinnovabili. Nel 2015, il Ministero federale tedesco della ricerca ha finanziato il Karlsruhe Institute of Technology e i partner industriali (con un finanziamento di 800,000 euro) per condurre ricerche sul miglioramento dell'efficienza energetica degli alimentatori ad alta frequenza basati su dispositivi di commutazione SiC, al fine di migliorare l'efficienza energetica degli alimentatori nella produzione industriale, ridurre il consumo energetico e le emissioni di CO2.

Stato di sviluppo dei dispositivi al carburo di silicio in Cina

1. Tyco Tianrun

Tyco Tianrun è stata fondata nel 2011. La sua linea di prodotti comprende prodotti tecnologici di base, prodotti stampati in carburo di silicio e diverse soluzioni industriali. I prodotti di base sono rappresentati dai diodi Schottky in carburo di silicio.

Nel 2015, Tyco Tianrun ha annunciato il lancio di un diodo Schottky al carburo di silicio ad alta potenza da 3300 V/50 A. Secondo quanto riportato, il prodotto presenta caratteristiche quali bassa caduta di tensione diretta, elevata velocità di commutazione ed eccellente conduttività termica, risultando adatto ad applicazioni di fascia alta come il trasporto ferroviario e le reti intelligenti.

Secondo quanto riportato, la tipica caduta di tensione diretta di un diodo Schottky al carburo di silicio ad alta potenza da 3300 V/50 A è di 2.22 V (IF=50 A, Tj=25 °C) e 4.75 V (IF=50 A, Tj=175 °C); la tipica corrente di dispersione inversa è di 120 μA (VR=3300 V, Tj=25 °C), 200 μA (VR=3300 V, Tj=175 °C); massimizza l'affidabilità in ambienti elettrici difficili; può funzionare normalmente nell'intervallo di temperatura da -55 °C a 175 °C. I prodotti sono disponibili come chip nudi non incapsulati e i tipi di incapsulamento del dispositivo possono essere personalizzati in base alle esigenze del cliente.

2. Shenzhen Basic Semiconductor

Shenzhen Basic Semiconductor è stata fondata nel 2016 e si concentra sulla ricerca e sviluppo e sull'industrializzazione di dispositivi di potenza al carburo di silicio (SiC). È uno dei promotori dello Shenzhen Third Generation Semiconductor Research Institute. Shenzhen Basic Semiconductor Co., Ltd. si dedica da tempo alla ricerca e allo sviluppo di dispositivi di potenza SiC. I suoi prodotti principali includono diodi SiC, MOSFET SiC e moduli MOSFET SiC di grado automobilistico, ampiamente utilizzati nella generazione di energia da fonti rinnovabili, nei veicoli a energia pulita, nel trasporto ferroviario e nelle reti intelligenti.

Il MOSFET al carburo di silicio da 1200 V, lanciato ufficialmente da Basic Semiconductor nell'ottobre 2018, è il primo prodotto di livello industriale progettato autonomamente da un'azienda cinese e ha superato i test di affidabilità. Le sue prestazioni hanno raggiunto livelli di eccellenza a livello internazionale, con un tempo di resistenza al cortocircuito di ben 6 μs.

3. Tecnologia Yangjie

Yangjie Technology è specializzata nello sviluppo industriale nei settori della produzione di chip e dispositivi a semiconduttore di potenza, del packaging e del collaudo di circuiti integrati. I suoi prodotti principali includono vari chip per dispositivi elettronici di potenza, diodi di potenza, ponti raddrizzatori, moduli ad alta potenza, prodotti DFN/QFN, SGTMOS, SBD al carburo di silicio, JBS al carburo di silicio, ecc. I prodotti sono ampiamente utilizzati nell'elettronica di consumo, nella sicurezza, nel controllo industriale, nell'elettronica automobilistica, nelle energie rinnovabili e in molti altri settori.

Il sito web ufficiale di Yangjie Technology mostra che attualmente sono disponibili 4 moduli Schottky al carburo di silicio: i modelli MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300DU02FJ e MB40DU12FJ. Consultando la scheda tecnica, si evince che il modello MB200DU01FJ può essere utilizzato in alimentatori per galvanica, alimentatori ad alta frequenza, alimentatori switching ad alta corrente, protezione contro l'inversione di polarità delle batterie, saldatrici e altri scenari.

3. Nucleo lucido e umido

Fondata nel marzo 2016, Xinguang Runze è un'azienda high-tech specializzata nella ricerca e sviluppo e nella produzione di dispositivi e moduli di potenza a semiconduttore SiC di terza generazione. Il 18 settembre 2018, Xinguang Runze ha ufficialmente avviato la prima linea di produzione nazionale di moduli di potenza intelligenti al carburo di silicio (SiCIPM). Il progetto è stato ufficialmente avviato nel dicembre 2016. Si prevede che, una volta a regime, la linea di produzione raggiungerà una capacità produttiva mensile di 300,000 unità e una produzione annua di 3.6 milioni di unità. L'azienda offre attualmente prodotti al carburo di silicio, tra cui diodi Schottky (SBD) e MOSFET. Ad esempio, il modello XGSCS1230SWA di SBD al carburo di silicio è in grado di soddisfare un requisito di tensione di 1200 V. Le applicazioni includono alimentatori switching, correttori del fattore di potenza, inverter, gruppi di continuità (UPS), azionamenti per motori, ecc.

4. Ruineng Semiconductor

Ruineng Semiconductor Co., Ltd. è una joint venture ad alta tecnologia fondata da NXP Semiconductors e Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd. Ruineng Semiconductor si concentra sullo sviluppo di un portafoglio di prodotti a semiconduttore bipolare di potenza, ampio e all'avanguardia nel settore, che comprende raddrizzatori e triac controllati al silicio, diodi di potenza al silicio, transistor ad alta tensione e diodi al carburo di silicio. I diodi al carburo di silicio dell'azienda sono utilizzati principalmente in ambito industriale, nei server, nei condizionatori d'aria e in altri settori. Dal sito web ufficiale, apprendiamo che Ruineng Semiconductor offre 25 modelli di diodi al carburo di silicio, tutti in grado di soddisfare il requisito di tensione di 650 V, come ad esempio il modello NXPSC16650B, utilizzabile in dispositivi di correzione del fattore di potenza, alimentatori switching, gruppi di continuità (UPS), inverter fotovoltaici, TV LED/OLED, azionamenti per motori e altre applicazioni.

5. Elettronica di Schang-Hai Zhanxin

Shanghai Zhanxin Electronics si impegna a sviluppare chip e moduli di potenza economicamente vantaggiosi, basati su dispositivi di potenza al carburo di silicio, fornendo soluzioni complete a semiconduttore per la miniaturizzazione, l'efficienza e la leggerezza di alimentatori e sistemi di azionamento elettrico.

Nell'ottobre 2017, il processo di produzione di MOSFET al carburo di silicio (SiC) è stato completato su una linea di produzione di massa consolidata da 6 pollici. I risultati dei test a livello di wafer hanno dimostrato che i vari parametri elettrici soddisfano le aspettative, ponendo solide basi per un'ulteriore ottimizzazione del processo e della progettazione del dispositivo. Il 1° maggio 2018 è nato ufficialmente il primo wafer di MOSFET SiC da 6 pollici di produzione nazionale.

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Applicazioni tipiche dei dispositivi al carburo di silicio: 1. Infrastruttura 5G - alimentazione per le comunicazioni.

L'alimentatore per le comunicazioni è la fonte di energia per server e stazioni base. Fornisce alimentazione a diverse apparecchiature di trasmissione e garantisce il normale funzionamento del sistema di comunicazione. Le caratteristiche ad alta frequenza dei MOSFET al carburo di silicio consentono di ridurre le dimensioni e il peso dell'unità magnetica nel circuito di alimentazione, aumentando l'efficienza complessiva dell'alimentatore; inoltre, la corrente di recupero inversa del diodo Schottky al carburo di silicio è pressoché nulla, il che ne amplia le prospettive di applicazione in numerosi circuiti PFC. Ad esempio, nel circuito PFC interleaved senza ponte di un alimentatore per comunicazioni ad alta efficienza da 3 kW, l'utilizzo di diodi Schottky al carburo di silicio da 650 V/10 A consente ai clienti di raggiungere elevati requisiti tecnici, con un'efficienza a pieno carico pari o superiore al 95%.

2. Stazione di ricarica per veicoli a energia nuova - modulo di alimentazione della stazione di ricarica

Il rapido sviluppo del settore dei veicoli a energia alternativa ha determinato una crescita della domanda di colonnine di ricarica. Per i veicoli elettrici a energia alternativa, l'aumento della velocità di ricarica e la riduzione dei costi rappresentano i due principali obiettivi dello sviluppo del settore. L'utilizzo di dispositivi in ​​carburo di silicio nei moduli di potenza delle colonnine di ricarica consente di ottenere un'elevata efficienza e potenza, incrementando così la velocità di ricarica e riducendo i costi.

3. Big data center, Internet industriale - alimentazione server

L'alimentatore del server funge da riserva energetica. Fornisce energia per garantire il normale funzionamento del sistema. L'utilizzo di dispositivi di potenza al carburo di silicio negli alimentatori dei server può migliorare la densità di potenza e l'efficienza degli alimentatori stessi, ridurre le dimensioni complessive del data center, diminuire i costi di costruzione e raggiungere una maggiore efficienza ambientale. Ad esempio, in un modulo di alimentazione per server da 3 kW, l'utilizzo di MOSFET al carburo di silicio nel PFC totem pole può migliorare significativamente l'efficienza dell'alimentatore e soddisfare requisiti di efficienza più elevati.

4. Tensione ultraelevata - applicazione di interruttori automatici in corrente continua flessibili

Essendo un progetto di sistema su larga scala, l'UHV (Ultra Alta Tensione) genererà una serie di richieste di materie prime e componenti. I dispositivi di potenza sono componenti chiave della tecnologia di trasmissione flessibile FACTS nella trasmissione in corrente continua UHV, in particolare i trasformatori elettronici di potenza (PET) presso le sottostazioni. L'affidabilità degli interruttori in corrente continua, elementi fondamentali della trasmissione flessibile in corrente continua, ha un impatto significativo sulla stabilità dell'intero sistema di trasmissione. L'utilizzo di dispositivi tradizionali a base di silicio per la progettazione di interruttori in corrente continua richiede il collegamento in serie di sottounità multilivello. L'impiego di dispositivi in ​​carburo di silicio ad alta tensione negli interruttori in corrente continua può ridurre notevolmente il numero di sottounità in serie, rappresentando un obiettivo chiave della ricerca industriale.

5. Ferrovia interurbana ad alta velocità e trasporto ferroviario interurbano - convertitore di trazione, trasformatore elettronico di potenza, convertitore ausiliario, alimentatore ausiliario

Il futuro del trasporto ferroviario richiederà prestazioni sempre più elevate ai dispositivi elettronici di potenza, come i convertitori di trazione, i convertitori di tensione, ecc. L'utilizzo di dispositivi di potenza al carburo di silicio può migliorare notevolmente la densità di potenza e l'efficienza operativa di questi dispositivi, contribuendo a ridurre significativamente il carico del sistema di trasporto ferroviario. I dispositivi al carburo di silicio consentono di raggiungere livelli di efficienza e miniaturizzazione ancora più elevati, offrendo enormi vantaggi tecnici nel settore del trasporto ferroviario. Il treno giapponese Shinkansen N700S è stato il primo a utilizzare dispositivi di potenza al carburo di silicio nei convertitori di trazione, riducendo significativamente il peso del veicolo, aumentando l'efficienza di carico e riducendo i costi operativi.

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In conclusione, sebbene i dispositivi elettronici di potenza al carburo di silicio presentino ancora problemi quali bassa potenza in uscita, prezzo elevato, scarsa disponibilità di dispositivi commerciali e mancanza di incapsulamento per alte temperature, con il continuo approfondimento della ricerca sulla tecnologia dei dispositivi elettronici di potenza al carburo di silicio, questi problemi saranno gradualmente risolti. Un numero maggiore e migliore di dispositivi elettronici di potenza al carburo di silicio commerciali verrà introdotto sul mercato, ampliando notevolmente i campi di applicazione di tali dispositivi. Nel prossimo futuro, i dispositivi di potenza al carburo di silicio diventeranno componenti chiave per ridurre le perdite di potenza, migliorare l'efficienza e la densità di potenza in diverse applicazioni di conversione.

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