Il rapporto di ricerche di mercato di Yole Development mostra che, sin dalla nascita dei dispositivi semiconduttori di potenza al silicio, le esigenze applicative hanno spinto la temperatura di giunzione verso l'alto, raggiungendo ormai i 150 °C.

Con l'avvento dei dispositivi a semiconduttore a banda proibita ampia di terza generazione (come il SiC) e la loro crescente maturità e piena commercializzazione, la loro eccezionale resistenza alle alte temperature sta accelerando la temperatura di giunzione dagli attuali 150 °C a 175 °C, e in futuro raggiungerà i 200 °C.

Grazie alle caratteristiche uniche di resistenza alle alte temperature e ai bassi costi di commutazione del SiC, questa tendenza all'aumento della temperatura di giunzione cambierà radicalmente la progettazione dei sistemi di alimentazione. Tra le applicazioni tipiche del futuro, caratterizzate da alta temperatura e alta densità di potenza, si annoverano i sistemi di propulsione per veicoli elettrici altamente integrati, gli aeromobili multi-elettrici e completamente elettrici, le stazioni di ricarica e i power bank per l'accumulo di energia mobile e diverse applicazioni di alimentazione in cui il raffreddamento a liquido presenta forti limitazioni.

Il sistema di propulsione dei veicoli elettrici (motore, controllo elettronico e cambio) si sta evolvendo verso un'architettura "tre in uno", ma attualmente è costituito solo da componenti assemblati a livello strutturale e l'integrazione è debole. Dal punto di vista strutturale, in futuro, una profonda integrazione del sistema di propulsione sarà inevitabile, poiché ciò potrebbe ridurre il volume di circa un terzo, il peso di circa un terzo e i consumi interni di circa un terzo, oltre a diminuire il costo totale da 2 a 4 volte.

Tuttavia, la parte di controllo elettronico sarà strettamente integrata con il motore e una profonda integrazione aumenterà notevolmente la densità di potenza. Le alte temperature rappresentano la sfida più grande e inevitabile.

Applicazioni tipiche ad alta temperatura

Negli aeromobili tradizionali, i movimenti meccanici come il timone di coda, le ali e il carrello di atterraggio sono controllati da una classica trasmissione idraulica. Essendo un liquido, l'olio idraulico è fortemente influenzato dall'ambiente e presenta elevati costi di manutenzione. Attualmente, si osserva una tendenza verso l'elettrificazione parziale o completa, che si concretizza nel concetto di aeromobile multi-elettrico o completamente elettrico.

L'utilizzo di motori elettrici al posto dei circuiti idraulici sugli aeromobili per ottenere il funzionamento meccanico offre elevata affidabilità, facilità di manutenzione e semplifica la progettazione di sistemi di backup ridondanti. Tuttavia, il problema principale è che i motori e i controlli elettronici sugli aeromobili non possono essere dotati di raffreddamento ad acqua, e possono affidarsi solo al raffreddamento ad aria forzata e al raffreddamento naturale. Pertanto, per realizzare la progettazione del controllo elettronico di aeromobili multi-elettrici o completamente elettrici, o persino di aeromobili elettrici, il principale problema tecnico da risolvere è quello delle alte temperature.

Inoltre, in molti scenari applicativi, le stazioni di ricarica semi-mobili con accumulo di energia e i power bank completamente mobili colmeranno efficacemente il vuoto lasciato dalle stazioni di ricarica fisse, e questo diventerà ancora più evidente con la diffusione su larga scala dei veicoli elettrici.

Tuttavia, per questo tipo di applicazione di ricarica mobile, il meccanismo di raffreddamento ad acqua non solo comporterebbe un aumento di peso e volume, ma soprattutto consumerebbe l'energia elettrica immagazzinata. Pertanto, il raffreddamento naturale rappresenta la soluzione migliore per il controllo elettronico, ma è necessario gestire adeguatamente il problema della gestione termica del sistema di controllo elettronico.

Oltre alle tre tipiche applicazioni ad alta temperatura sopra descritte, in molte applicazioni industriali speciali in cui il raffreddamento a liquido è fortemente limitato, i sistemi di controllo elettronico si troveranno ad affrontare le stesse sfide legate alle alte temperature. La tecnologia di controllo elettrico ad alta temperatura è fondamentale per la realizzazione delle suddette applicazioni. La sua tecnologia di implementazione principale è la tecnologia di incapsulamento ad alta temperatura dei dispositivi di potenza in SiC e la corrispondente tecnologia dei circuiti di pilotaggio ad alta temperatura.

SiC “geniale”

I materiali SiC e le relative strutture di dispositivi possiedono un'intrinseca resistenza alle alte temperature e possono persino sopportare temperature da 400 a 600 °C in condizioni di vuoto. Nelle applicazioni pratiche, per prevenire l'ossidazione causata dal contatto con l'aria, i dispositivi SiC devono essere incapsulati e, se devono resistere ad alte temperature, devono essere incapsulati in contenitori resistenti alle alte temperature.

La temperatura di giunzione di 150 °C è attualmente lo standard più elevato del settore. Il livello di temperatura di giunzione di 175 °C ha appena iniziato a essere esplorato. Esistono package quasi standardizzati che possono essere utilizzati. I package con temperature pari o superiori a 200 °C hanno requisiti molto severi in termini di materiali e processi di confezionamento e devono essere personalizzati in base alle caratteristiche del chip nudo per garantire i requisiti di conduttività termica e dissipazione del calore.

L'applicazione di dispositivi e moduli di potenza in SiC è inscindibile dai circuiti di pilotaggio e dai relativi chip. Tuttavia, la maggior parte dei chip dei circuiti di pilotaggio sono dispositivi al silicio ordinari e non sono in grado di resistere alle alte temperature. Se riescono a funzionare a temperature elevate come 175 °C per 1,000 ore, è già un evento raro.

Inoltre, la resistenza alle alte temperature è solo un aspetto del problema. Ciò che è più grave è la costanza delle prestazioni del dispositivo ad alte temperature. Le prestazioni dei normali dispositivi al silicio si deteriorano molto rapidamente al di sopra dei 70 °C, quindi non possono essere utilizzati ad alte temperature.

Dopo oltre 20 anni di ricerca e sviluppo innovativi e test applicativi, i dispositivi speciali in silicio SOI di Cissoid hanno raggiunto una straordinaria resistenza alle alte temperature. Possono funzionare ininterrottamente per 15 anni a 175 °C e presentano un'eccellente costanza delle prestazioni nell'intero intervallo di temperatura. Sono i pilastri su cui si basano le applicazioni ad alta temperatura del SiC.

Superare il dilemma della “temperatura”

La speciale tecnologia a semiconduttore di silicio basata su SOI di Cissoid supera in modo completo il problema della temperatura tipico dei dispositivi a semiconduttore di silicio, evitando chiaramente l'influenza dell'effetto della temperatura sui portatori di carica (aumento della concentrazione intrinseca dei portatori di carica all'aumentare della temperatura) e dell'effetto della temperatura di giunzione (diminuzione della barriera di giunzione efficace all'aumentare della temperatura). Non solo è in grado di resistere alle alte temperature e di funzionare a lungo, ma mantiene anche un'elevata costanza delle prestazioni nell'intero intervallo di temperatura.

Di conseguenza, i dispositivi a semiconduttore per alte temperature di Cissoid sono da tempo i preferiti nei settori aerospaziale e dell'esplorazione petrolifera, e vantano quasi 20 anni di storia ed esperienza nelle applicazioni ad alta temperatura.

Negli ultimi anni, con la crescente popolarità dei dispositivi di potenza a semiconduttore SiC di terza generazione, Cissoid ha sviluppato chip driver e soluzioni resistenti alle alte temperature per MOSFET SiC. Questa esclusiva resistenza alle alte temperature consente di posizionare il chip il più vicino possibile al modulo di potenza SiC, minimizzando l'induttanza parassita del circuito di pilotaggio e sopprimendo in tal modo in modo più efficace le oscillazioni, per un'efficienza ottimale.

Di recente, per le applicazioni di azionamento elettrico in veicoli elettrici e aeromobili completamente elettrici/multielettrici, Cissoid ha anche lanciato un sistema di moduli di potenza intelligenti (IPM) trifase a ponte intero da 1200 V con MOSFET SiC, che costituisce una serie di piattaforme scalabili. Questo sistema utilizza una tecnologia a bassa perdita di commutazione per fornire una soluzione integrata, ovvero l'IPM.

L'IPM è composto da un circuito di pilotaggio del gate e da un modulo di potenza trifase in carburo di silicio. La cooperazione tra i due è stata ottimizzata e coordinata per sfruttare appieno i vantaggi dei dispositivi SiC.

Il modulo CXT-PLA3SA12450AA attualmente in produzione ha una temperatura di giunzione nominale fino a 175 °C e il circuito di pilotaggio del gate può funzionare in un ambiente fino a 125 °C. Inoltre, a seconda delle condizioni e degli scenari applicativi, il livello di temperatura operativa può essere ulteriormente migliorato sostituendo i componenti passivi di livello superiore e modificando il packaging dei chip e dei moduli principali.

Fin dalla nascita dei dispositivi a semiconduttore di silicio, le applicazioni ad alta temperatura sono state la chiave del loro successo.

L'innovativa tecnologia dei chip di silicio SOI di Cissoid ha assunto un ruolo di primo piano nel raggiungimento di importanti progressi nei dispositivi semiconduttori discreti per alte temperature e nei circuiti integrati su piccola scala.

Con la crescente maturità e diffusione dei semiconduttori di terza generazione, come i dispositivi a semiconduttore di potenza in SiC, la loro intrinseca resistenza alle alte temperature e i dispositivi a semiconduttore ad alta temperatura Cissoid si combinano alla perfezione, modificando radicalmente il modello di progettazione dei sistemi di alimentazione e offrendo ai progettisti nuove opportunità di sviluppo.

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