Introduzione: Il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC) possiedono eccellenti proprietà fisiche per i semiconduttori di terza generazione, offrendo maggiori possibilità di miglioramento delle prestazioni dei dispositivi elettronici di potenza. Essendo il componente semiconduttore più basilare dei sistemi di alimentazione, i dispositivi di potenza in SiC hanno notevolmente migliorato l'efficienza energetica in un'ampia gamma di applicazioni militari e civili, come veicoli elettrici, treni ad alta velocità, connessione alla rete di energia solare ed eolica, gruppi di continuità (UPS), sistemi di espulsione elettromagnetica e altri settori, diventando i nuovi protagonisti del mercato delle energie rinnovabili.    
           

Chiacchiere prima dell'inizio

L'importanza dei dispositivi di potenza di terza generazione a metà potenza risiede nell'aumento della potenza, nel miglioramento dell'efficienza e nella riduzione delle dimensioni, aspetti imprescindibili. Il settore dei semiconduttori sta gradualmente acquisendo maggiore importanza a livello nazionale e anche il mercato dei capitali sta iniziando a interessarsene. In particolare, nell'attuale contesto di guerra commerciale, la consapevolezza dell'importanza della produzione indipendente di dispositivi di potenza è ancora più forte. Proprio come l'equipaggiamento necessario in un videogioco per sintetizzare artefatti, i dispositivi di potenza rappresentano un elemento imprescindibile. Oggi, sono emerse e si stanno affermando numerose aziende nazionali nel settore dei dispositivi di potenza di terza generazione a metà potenza, caratterizzate da un'intensa attività. Tra queste, la Pinejie Company ha prodotto dispositivi di potenza al carburo di silicio con prestazioni eccellenti.  
Analizziamo ora in modo formale gli aspetti che contraddistinguono le eccellenti prestazioni del SiC.  
           

Perdita di valore del dispositivo di potenza

L'indicatore importante delle prestazioni di un dispositivo di potenza non è altro che la sua perdita totale, che è composta da due parti. Una èperdita di conduzione(Perdita di conduzione) Uno èperdite di commutazione(Perdita di commutazione). In altre parole, minore è la perdita, maggiore è l'efficienza, con conseguente riduzione delle dimensioni, dell'efficienza e del peso, caratteristiche più adatte alle esigenze delle applicazioni moderne. Ad esempio, uno dei motivi principali per cui la Tesla Model 3 è riuscita a ridurre il prezzo a circa 250,000 dollari è l'utilizzo di una soluzione SiC, che ha migliorato le prestazioni della batteria e ridotto dimensioni e peso, con conseguente riduzione di altri costi.

Al fine di aiutare i fornitori di applicazioni e le parti interessate a comprendere come i dispositivi a semiconduttore di potenza e i loro parametri principali vengono confrontati e valutati nel settore, confronteremo ciascuno di essi orizzontalmente e commenteremo brevemente i vantaggi e gli svantaggi tecnici dei dispositivi MOSFET SiC di ciascuna azienda.  
           

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Nelle applicazioni di elettronica di potenza di vecchia generazione, a causa della bassa frequenza di commutazione, la perdita per conduzione gioca un ruolo dominante. Un pioniere di questo settore e accademico dell'Accademia Nazionale delle ScienzeProfessor Jayant B. Baliga(di seguito denominato Bashen) Già nel 1989 è stato proposto un fattore di qualità per valutare la perdita di conduzione dei dispositivi di potenza

(vedi [i]), ε dove è la costante dielettrica del materiale semiconduttore, μ è la mobilità degli elettroni,E_Cè il campo elettrico di rottura. Secondo la formula di Bashen, se prendiamo il fattore BFM del materiale di silicio come 1 unità, allora il fattore BFM del materiale SiC è 231 unità. Qual è il punto? Questo dimostra che quando si realizzano dispositivi di potenza multisub (MOSFET, diodi Schottky, ecc.) con la stessa alta tensione, la resistenza di conduzione dei materiali SiC è 230 volte inferiore! Ciò significa che la perdita di conduzione dei dispositivi SiC è 230 volte inferiore a quella dei dispositivi di silicio con la stessa corrente! Il BFM normalizzato del GaN rispetto al silicio è 2097, e quello del Ga2O3 è 6170! Per riassumere in termini semplici, Ba Shen aveva previsto già negli anni '1980,Il futuro dei semiconduttori di potenza deve essere dominato dai semiconduttori a banda proibita ampia!
 

 

Immagine i
 
 

Jayant B. Baliga   
Con lo sviluppo della tecnologia dell'elettronica di potenza negli ultimi 20 anni, si è scoperto che una maggiore frequenza di commutazione degli interruttori può ridurre l'uso di componenti passivi come condensatori e induttori nel circuito e ridurre il volume e il peso del sistema. Tuttavia, con l'aumento della frequenza del sistema, le perdite di commutazione dei dispositivi di potenza diventano sempre più significative e, di conseguenza, aumentano anche il costo e il volume del sistema di raffreddamento necessario, con il risultato che il sistema non può essere ottimizzato in modo significativo aumentando ulteriormente la frequenza. Un altro famoso professore,Alex Q. HuangNel 2004, è stato proposto un fattore di qualità che valuta in modo completo le perdite di conduzione e le perdite di commutazione del dispositivo.

(vedi [ii]), dove R_ds,suè la resistenza di conduzione del dispositivo, proporzionale alla perdita di conduzione, Q_gdÈ la carica immagazzinata nella capacità di Miller gate-drain del dispositivo ed è proporzionale alla perdita di commutazione. Allo stesso tempo, poiché R_ds,suInversamente proporzionale all'area del dispositivo, Q_gdIn proporzione all'area del dispositivo, il loro prodotto compensa l'impatto dell'area (o del costo) del dispositivo, mostrando il livello di perdita complessivo del dispositivo in condizioni di funzionamento ad alta frequenza. In parole semplici, minore è il fattore di qualità HDFM, migliore è la qualità complessiva del dispositivo.Minore è la perdita, maggiore è l'efficienza !
 
 

Alex Q. Huang  
Utilizzando questo metodo, confrontiamo le prestazioni dei prodotti dei principali fornitori di MOSFET SiC presenti sul mercato:
     

fabbrica	Infineon	La legge italiana	Corey	Roma	Ghiandaia del pino	Un marchio nazionale
Origin	Europa	Europa	USA	Giappone	Cina	Cina
Piattaforma tecnologica	trincea di prima generazione	aereo di seconda generazione	aereo di terza generazione	trincea di terza generazione	aereo di terza generazione	No? piano di generazione
Rds, su (m?)	90	60	75	80	80	80
Qgd (nC)	5	35	20	25	9.3	54
	21.2	45.8	38.7	44.7	27.3	65.7
HDFM normalizzato	1	2.16	1.83	2.11	1.29	3.10
*I dati sopra riportati provengono da una scheda tecnica scaricabile pubblicamente da Internet.

Innanzitutto, traiamo delle conclusioni da questa tabella comparativa.Nel campo della tecnologia MOS planare, Pinejie Semiconductor, in quanto marchio nazionale, vanta già prodotti leader a livello mondiale, molto vicini alla tecnologia MOS a trincea con processi complessi!In condizioni ideali, per lo stesso scenario applicativo, se si utilizza come riferimento il dispositivo CoolSiC più recente di Infineon, il consumo energetico complessivo del dispositivo è di almeno 10 W, il consumo energetico del MOSFET SiC di Penjie è di 12.9 W, quello dei prodotti Kerui è di 18.3 W, quello di STMicroelectronics e Rohm si avvicina ai 21 W, e quello di un marchio nazionale è di 31 W.

Conclusione

Sulla spinta dell'elettrificazione dei veicoli di trasporto, delle nuove infrastrutture e di altri progetti, i dispositivi al carburo di silicio diventeranno il fulcro della strategia di costruzione delle principali centrali elettriche. Tesla collabora pienamente con STMicroelectronics e Volkswagen si affida a Corey... Le centrali elettriche in grado di sfruttare le tecnologie più avanzate e la capacità produttiva dei dispositivi di potenza in SiC otterranno vantaggi strategici incomparabili.

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