Semiconduttori di Potenza

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

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

3. 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

4. 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

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

6. 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)

7. Diodi Schottky • Giunzionemetallo - semiconduttore • Diodi fast • Bassacadutaditensionediretta (0.3-0.4 V) • Tensionelimiteinversabassa (50-100 V) • No fenomenodi reverse recovery • Tempi dicommutazione molto brevi (<50ns) • Applicazioni in circuiti a bassatensione e altecorrenti Simbolo Elettrico

8. Tiristori • 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

9. 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

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

11. 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

12. IGBT • 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

13. Settori di impiego dei semiconduttori

14. Range di potenza dei semiconduttori Power Frequency Voltage Operating Limits

15. 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

16. 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 SiliconCarbide (SiC) e GalliumNitride (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

17. Dispositivi SiliconCarbide (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

18. Esempi di Datasheets • Diodo Si • Diodo Si Schottky • Diodo SiCSchottky • Si IGBT • Si MOSFET • SiC MOSFET • Driver IGBT • Driver MOSFET

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

20. 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.

21. 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.

22. 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

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

24. 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)

25. 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

26. 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)

27. 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

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

29. Scelta del dissipatore e montaggio Rha < 0.35 K/W

30. Realizzazione convertitore di potenza • Scheda di interfaccia • Moduli di potenza (x3) • Dissipatore

31. Realizzazione convertitore di potenza • Convertitore trifase

32. 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