Semiconduttori di Potenza Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica a.a. 2012/2013 Elettronica Di Potenza Prof. Ing. Antonio Dell’Aquila Semiconduttori di Potenza Ing. Maria Concetta Poliseno

Panoramica Classificazione dei semiconduttori Caratteristiche generali richieste Tipologie semiconduttori Settori di impiego / Applicazione Ricerca nel campo dei semiconduttori Nuovi dispositivi Silicon Carbide (SiC) Esempi di datasheet Packages Sistemi di raffreddamento: dissipatori, perdite e progettazione Electronic Boards e Convertitore di potenza

Classificazione dei semiconduttori Componenti non controllati Diodi Diodi Zener Diodi Schottky Diodi a 4 strati Componenti semi-controllati (OFFON) Tiristori Triac Componenti totalmente controllati GTO Transistor di potenza BJT MOSFET IGBT IGCT

Caratteristiche generali richieste Capacità di controllo sia in innesco che in spegnimento Bassa caduta di tensione in senso diretto Bassi tempi di commutazione Elevata densità di corrente Elevata tensione di isolamento Bassa potenza richiesta dal circuito di gate (Driver di pilotaggio) Bassa resistenza termica

Diodi Il diodo è il più semplice componente a semiconduttore. Esso e costituito da un’unica giunzione P-N. Caratteristica statica Simbolo Elettrico

VZ= tensione di Zener (effetto valanga) Diodi Zener Simbolo Elettrico Sfruttano l’effetto Zener Progettati per lavorare in tensione di rottura Polarizzazione diretta: classico comportamento Uso: circuiti di stabilizzazione della tensione Caratteristica I-VAK VZ= tensione di Zener (effetto valanga)

Diodi Schottky Diodi fast Bassa caduta di tensione diretta (0.3-0.4 V) Giunzione metallo - semiconduttore Diodi fast Bassa caduta di tensione diretta (0.3-0.4 V) Tensione limite inversa bassa (50-100 V) No fenomeno di reverse recovery Tempi di commutazione molto brevi (<50ns) Applicazioni in circuiti a bassa tensione e alte correnti Simbolo Elettrico

Tiristori Caratteristica statica Simbolo Elettrico Componente a quattro strati (PNPN) Conduzione unidirezionale Pilotato in accensione mediante una corrente di gate Spegnimento spontaneo per VAK<0 Applicazioni di elevata potenza Caratteristica statica Simbolo Elettrico

Quattro quadranti di innesco (piano IG-VA) Triac Tiristore bidirezionale di corrente, pilotato in accensione mediante un impulso di corrente al gate Bassissima frequenza di commutazione Controllo di carichi di elevata potenza in c.a Variatori di tensione per l’illuminazione Quattro quadranti di innesco (piano IG-VA) Simbolo Elettrico

BJT Dispositivo totalmente controllato, mediante la corrente di base Elevata frequenza di commutazione Elevata corrente di pilotaggio (~A): gate circuit complesso Caratteristica Statica Simbolo elettrico PNP NPN

MOSFET I MOSFET si comportano come delle resistenze variabili il cui valore è controllato agendo sulla tensione di gate Richiedono una minore corrente di gate Ideali per applicazioni con elevate frequenze di switching e basse potenze Caratteristica statica Simbolo Elettrico

IGBT Caratteristica statica Simbolo Elettrico Costituito da un BJT pilotato da un MOSFET Tensione di gate  grandezza di controllo Presenta tempi di commutazione brevi (MOSFET) e basse perdite di conduzione (BJT) Applicazioni di elevata potenza e minori frequenze rispetto ai MOSFET Caratteristica statica Simbolo Elettrico

Settori di impiego dei semiconduttori

Range di potenza dei semiconduttori Power Frequency Voltage Operating Limits

Ricerca nel campo dei semiconduttori Parametri chiave: Resistenza di canale: perdite di conduzione  costi, temperature operative Alte frequenze di commutazione  dimensioni, costo Elevate potenze  no connessioni multiple/perdite Problematiche nello sviluppo di transistor legate a: Minimizzare le perdite di commutazione, aumentando la frequenza di switching Ridurre le perdite di conduzione dovute alla resistenza di canale Ridurre le capacità interne Migliorare le performance di reverse recovery

Nuovi dispositivi semiconduttori Allo scopo di realizzare convertitori di potenza caratterizzati da elevata efficienza di conversione e maggiore densità di potenza, si stanno diffondendo nuove tecnologie di semiconduttori, basate su materiali ad ampia banda proibita (bandgap) Dispositivi Silicon Carbide (SiC) e Gallium Nitride (GaN) Materiali compositi che consentono di superare l’attuale limite dei dispositivi al silicio in termini di frequenza di commutazione e temperatura Riducono significativamente le correnti di fuga e, quindi, la dissipazione di potenza Caratterizzati anche da un’elevata conduttività termica, che permette di lavorare a temperature più alte (fino ai 250°C), riducendo così il costo del dissipatore e aumentando l’efficienza del controllo termico

Dispositivi Silicon Carbide (SiC) 3*bandgap  piccole correnti disperse e alte temperature operative 1/10* Tensione di breakdown 1/1000* Resistenza di canale  basse perdite di conduzione 2* Velocità di saturazione  alte frequenze di switching 3* Conduttività termica  migliore dissipazione di calore (T=200-250°C) Produttori e Applicazioni

Esempi di Datasheets Diodo Si Diodo Si Schottky Diodo SiC Schottky Si IGBT Si MOSFET SiC MOSFET Driver IGBT Driver MOSFET

Packages Il package è il contenitore che racchiude il Silicio e lo interfaccia con l’esterno.

Sistemi di raffreddamento Il dissipatore “estende” le dimensioni fisiche del dispositivo, permettendo un migliore smaltimento del calore, in quanto “sottrae” il calore prodotto per effetto Joule e lo trasferisce all’ambiente circostante, impedendo il superamento della temperatura limite.

Sistemi di raffreddamento Conduzione: avviene all’interno di un corpo o fra due corpi in contatto fra di loro. Il dispositivo va fissato saldamente a contatto con il dissipatore, costituito da un materiale con una elevata conducibilità termica (Al). Convezione: è il moto all’interno di un fluido e si sfrutta per asportare il calore del dissipatore/componente attraverso il movimento dell’aria, che può essere naturale (dovuto al fenomeno di espansione termica) oppure forzato (tramite ventole). Per le elevate potenze, il fluido refrigerante può essere anche un liquido, che scorre in un condotto all’interno del dissipatore e viene poi raffreddato o per sostituzione (acqua corrente) o tramite un opportuno radiatore. Irraggiamento: il dissipatore e lo stesso componente irradiano calore nell’ambiente circostante per mezzo della radiazione infrarossa, ed anche questo fenomeno contribuisce allo smaltimento del calore, anche se alle basse temperature rappresenta una frazione trascurabile del totale.

Dimensionamento di un dissipatore Tj [K] = Temperatura giunzione Tc [K] = Temperatura case Th [K] = Temperatura heatsink Ta [K] = Temperatura ambiente Rjc [K/W] = Resistenza termica giunzione- case Rch [K/W] = Resistenza termica case- heatsink Rha [K/W] = Resistenza termica heatsink- ambiente

Esempio dimensionamento di un dissipatore per IGBT Half-Bridge Module Semikron SEMiX303GB12E4s Vcc = 600V Ic = 50A fsw = 8 kHz Duty = 50% Ta = 40°C

Perdite nei semiconduttori m: indice di modulazione φ: fase della corrente in uscita assunta sinusoidale ovvero lo sfasamento tra corrente e tensione d’uscita. VCE0: tensione di soglia IGBT (Dipende dalla temperatura di giunzione) ICM: corrente di carico rCE: resistenza di conduzione dell’IGBT (dipende dalla temperatura di giunzione) VF0: tensione di soglia diodo (dipende dalla temperatura di giunzione) rF: resistenza di conduzione diretta (dipende dalla temperatura di giunzione)

Calcolo perdite di conduzione VCE0 = 0.7V (Typ, Tj=150°C) rCE = 5.0 mΩ (Typ, Tj=150°C) VF0 = 0.9V (Typ, Tj=150°C) rF = 4.2 mΩ (Typ, Tj=150°C) Supponendo: m=1 cosϕ=1

Perdite di switching : frequenza di commutazione [Hz]. : energia di commutazione per l’accensione (turn on) dell’IGBT in [J]. : energia di commutazione per lo spegnimento (turn off) dell’IGBT in [J]. : energia di commutazione per lo spegnimento del diodo [J]. : Tensione DC in [V]. : Tensione che il costruttore ha utilizzato per le misure dell’energia di commutazione (Vedi datasheet) : Corrente Carico : Corrente che il costruttore ha utilizzato per le misure dell’energia di commutazione (Vedi datasheet)

Calcolo perdite di switching EonT =30mJ (Tj=150°C) EoffT=41.2mJ (Tj=150°C) EoffD=17.7mJ (Tj=150°C) Vrif=600V Irif=300A Supponendo: fsw=8kHz VDC=600V IC=50A

Calcolo resistenza termica del dissipatore (tipo di contatto fra i due e eventuale presenza di fogli isolanti o di grasso)

Scelta del dissipatore e montaggio Rha < 0.35 K/W

Realizzazione convertitore di potenza Scheda di interfaccia Moduli di potenza (x3) Dissipatore

Realizzazione convertitore di potenza Convertitore trifase

Laboratorio di ricerca per l'aerospazio e l'energia ENERGY FACTORY BARI Laboratorio di ricerca per l'aerospazio e l'energia AVIO S.p.A. e il Politecnico di Bari hanno realizzato un laboratorio integrato multidisciplinare, denominato “Energy Factory Bari” (EFB), per la attuazione di attività di ricerca, sviluppo tecnologico e innovazione in ambiti di comune interesse, nei settori dell’aerospazio e dell’energia. Aree di ricerca coinvolte: Macchine elettriche ad elevata velocità Convertitori di potenza ad elevata frequenza Sistemi di controllo Termofluidodinamica delle macchine e dei sistemi per l’energia Progettazione meccanica e costruzione di macchine http://energyfactorybari.it/index_it.html