Al giorno d'oggi, la maggior parte dei semiconduttori è costituita da silicio (Si), ma da qualche anno a questa parte, un materiale relativamente nuovo fa sempre più parlare di sé. Si tratta del carburo di silicio, noto anche come SiC, un materiale che attualmente è utilizzato soprattutto per tecnologie di semiconduttori come MOSFET e diodi Schottky.
Quali sono i vantaggi del SiC rispetto al Si?
In linea di massima, il carburo di silicio (SiC) è considerato un semiconduttore a Wide Band Gap (WBG) che presenta vantaggi intrinseci rispetto ai semiconduttori Si convenzionali. Queste proprietà del SiC si traducono un aumento di:
- Campo di rottura
- Velocità di deriva degli elettroni
- Conduttività termica
Campo di rottura
Un campo di rottura più elevato consente a un dispositivo di resistere a tensioni più elevate per una determinata area, il che consente a sua volta ai progettisti di aumentare l'area dedicata al flusso di corrente a parità di dimensioni del die, riducendo la resistenza del dispositivo per una determinata area (Rsp). La resistenza del dispositivo è direttamente correlata alle perdite di corrente di conduzione, per cui una Rsp più piccola si traduce in perdite minori, con conseguente aumento dell'efficienza.
Velocità di deriva degli elettroni
La velocità di deriva degli elettroni è la velocità con cui gli elettroni viaggiano in un materiale per effetto di un campo elettrico. Nel caso dei semiconduttori SiC, la velocità di deriva degli elettroni è due volte superiore rispetto a quella dei semiconduttori a base di Si. Quanto più velocemente si muovono gli elettroni, tanto maggiore è la velocità di accensione e spegnimento del dispositivo. Questa rapidità di commutazione offre al progettista del sistema due vantaggi: in primo luogo, minori perdite di corrente durante il tempo di transizione tra accensione e spegnimento; in secondo luogo, le frequenze di commutazione più elevate consentono l'utilizzo di componenti magnetici e condensatori più piccoli.
Conduttività termica
La conduttività termica del SiC è circa tre volte superiore a quella del Si e riunisce tutti i vantaggi delle altre proprietà. Per conduttività termica si intende la velocità con cui il calore viene trasferito dalla giunzione del semiconduttore all'ambiente esterno. Pertanto, i dispositivi SiC sono in grado di operare fino a 200 °C, rispetto al limite tipico di 150 °C del Si.
La combinazione di questi tre vantaggi consente al progettista del sistema di realizzare un prodotto più efficiente e al contempo più piccolo, più leggero e, in ultima analisi, più economico. I dispositivi SiC sono notoriamente più costosi rispetto ai loro equivalenti in Si, ma se si considera il risparmio derivante dall'uso di componenti passivi più piccoli e da una minore gestione termica, il costo complessivo del sistema può diminuire del 20%. Le proprietà del carburo di silicio lo rendono un materiale estremamente vantaggioso per le applicazioni ad alta potenza in cui sono richieste alta tensione, alta corrente, alte temperature e alta conduttività termica con un peso complessivo ridotto. Le principali tecnologie che impiegano il SiC sono MOSFET e diodi Schottky (sia in pacchetto discreto che in moduli di potenza).
Applicazioni pratiche dei vantaggi del carburo di silicio
Il carburo di silicio viene impiegato in una serie di applicazioni esistenti, quali veicoli elettrici, inverter solari, sistemi di accumulo di energia e stazioni di ricarica per veicoli elettrici. L'impiego di questo nuovo materiale offre numerosi vantaggi a progettisti e produttori di sistemi, ma quali sono i vantaggi per il consumatore dei prodotti finali?
Per prima cosa, diamo un'occhiata ai veicoli elettrici (EV). Il principale ostacolo alla loro adozione è l'ansia da autonomia. Grazie all'uso del SiC, l'autonomia di un veicolo elettrico può essere estesa di oltre il 7%. Si tratta di un impatto notevole, ottenuto semplicemente passando da un inverter basato su IGBT a un inverter SiC. E i vantaggi non finiscono qui. Il SiC consente di affrontare anche un altro problema legato all'adozione dei veicoli elettrici: il costo. Dal momento che l'elemento più costoso dei veicoli elettrici è la batteria, aumentando l'autonomia del 7%, il SiC consente di ridurre anche le dimensioni della batteria del 7%, pur garantendo un'autonomia equivalente a quella dei veicoli non-SiC. Un gruppo di batterie più piccolo si traduce direttamente in una riduzione del costo complessivo del veicolo elettrico, ed è per questo motivo che l'adozione del SiC nei veicoli elettrici è in forte aumento e che le previsioni di fatturato per i produttori di SiC sono così elevate.
Direttamente collegate ai veicoli elettrici sono le stazioni di ricarica e la loro costruzione. Nel caso delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici, una delle considerazioni principali è la densità di corrente. È qui che il SiC contribuisce, consentendo ai progettisti di sistemi di erogare più corrente nello stesso volume o di mantenere la stessa corrente e ridurre il volume del 300%. La possibilità di erogare più corrente nello stesso volume è il principale stimolo all'utilizzo del SiC per le stazioni di ricarica dei veicoli elettrici. L'obiettivo è riuscire a ricaricare un veicolo nella stessa quantità di tempo che una persona impiega presso una stazione di servizio e può essere raggiunto solo aumentando la quantità di corrente erogata al veicolo dalla stazione di ricarica.
Il carburo di silicio sta contribuendo anche al mercato delle energie rinnovabili grazie alla realizzazione di inverter solari più piccoli e leggeri. Utilizzando una maggiore frequenza di commutazione resa possibile dal SiC, gli inverter solari possono avvalersi di magneti più piccoli e più leggeri. A seconda del livello di potenza, l'inverter solare può pesare meno di 50 libbre (circa 22,5 kg). Cinquanta libbre è il peso massimo che un individuo può sollevare in base alle direttive dell'OSHA (Occupational Safety and Health Administration). Il sollevamento di apparecchiature che superano tale limite richiede l'impiego di due o più persone o di un dispositivo di sollevamento. Grazie alla creazione di un inverter solare più leggero, un'azienda avrà bisogno di una sola persona per l'installazione, il che ridurrà il costo di installazione e renderà il prodotto più appetibile tanto per gli installatori quanto per i consumatori. Lo stesso vantaggio si applica ai caricabatterie per veicoli elettrici da parete. L'uso del SiC negli inverter solari comporta naturalmente altri vantaggi pratici, come l'aumento dell'efficienza complessiva e la riduzione dei costi di sistema.
Anche gli azionamenti dei motori industriali traggono vantaggio dal passaggio al SiC, che offre agli inverter dei motori un miglioramento dell'efficienza, dimensioni ridotte e una maggiore dissipazione del calore, consentendo di collocare l'azionamento localmente o sul motore stesso. In questo modo si riduce la necessità di più cavi lunghi che collegano l'armadio elettrico a una soluzione che utilizza gli IGBT a base di Si. Al contrario, le soluzioni SiC necessitano di soli 2 cavi per raggiungere l'armadio, eliminando così la necessità di utilizzare centinaia di metri di cablaggio costoso e complesso, necessario per il braccio robotico articolato a sette motori riportato nella Figura 2. Ulteriori informazioni su questo argomento sono disponibili qui: MOSFET SiC e IGBT Si a confronto: vantaggi dei MOSFET SiC
Le applicazioni descritte nei precedenti esempi traggono tutte vantaggio dalla robusta durata e affidabilità del SiC, che rappresenta un elemento di differenziazione cruciale quando i progettisti prendono in considerazione l'utilizzo di altri semiconduttori Wide Bandgap, come il nitruro di gallio (GaN).
Scopri di più sulle differenze tra GaN e SiC.
Guidare il mondo verso la decarbonizzazione con il carburo di silicio
Un elemento comune alle applicazioni descritte in precedenza è che rappresentano tutte un passo avanti verso la decarbonizzazione, anche se ognuna in modo diverso.
I veicoli elettrici contribuiscono alla decarbonizzazione riducendo direttamente il numero di chili di CO2 emessi durante il trasporto. Pur non producendo emissioni di gas di scarico, consumano elettricità prodotta da fonti che emettono CO2. Considerando queste emissioni, il Dipartimento per l'Ambiente degli Stati Uniti (U.S. DoE) stima che le emissioni annuali di un veicolo elettrico siano pari a 2.817 libbre di CO2 rispetto alle 12.594 libbre di CO2 di un veicolo a benzina, vale a dire una riduzione del 78% della quantità di CO2 emessa nell'atmosfera.
Le stazioni di ricarica dei veicoli elettrici non hanno un impatto diretto sulla decarbonizzazione, ma senza una solida infrastruttura di stazioni di ricarica rapida a corrente continua, l'adozione dei veicoli elettrici sarà limitata. L'ansia da autonomia rimane una delle cause principali della mancata adozione dei veicoli elettrici. Il 90% delle famiglie statunitensi che possiedono un veicolo elettrico possiede un altro veicolo che probabilmente non è elettrico. Queste statistiche dimostrano che i consumatori non sono sicuri che il loro veicolo elettrico sia in grado di soddisfare tutte le loro esigenze, in particolare per quanto riguarda i viaggi a lunga distanza.
Dal 2009, il costo della generazione di energia solare fotovoltaica (PV) è sceso di quasi il 90%, rendendola la fonte di generazione di energia a più basso costo, con 37 dollari/MWh nel 2020. A confronto, il carbone costa 112 dollari/MWh e il gas naturale 59 dollari/MWh. La tecnologia solare sta consentendo al mondo di generare energia a zero emissioni di CO2 al costo più basso rispetto alle altre fonti energetiche e anche se il merito di questa riduzione dei costi non è interamente ascrivibile al SiC, il materiale contribuisce sicuramente all'abbattimento della spesa per la generazione di energia solare.
In un mondo che si sta muovendo verso un maggiore utilizzo di energia elettrica, è importante continuare a migliorare l'efficienza delle apparecchiature che la consumano. Dal momento che i motori elettrici rappresentano il 40-50% del consumo mondiale di elettricità, è importante renderli altamente efficienti, poiché un piccolo guadagno in termini di efficienza verrà amplificato dall'enorme quantità di motori elettrici nel mondo.
Oltre a contribuire ad accelerare la decarbonizzazione nelle applicazioni esistenti, il SiC consente di realizzare applicazioni finora impensabili. Un esempio è rappresentato dagli aerei elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL). Proprio come per i veicoli elettrici, il SiC consente di estendere l'autonomia anche degli eVTOL, rendendoli più pratici.
I semiconduttori SiC contribuiscono ad accelerare l'adozione di questi sistemi finali rendendoli più efficienti, affidabili, robusti, piccoli, leggeri e con un costo complessivo inferiore.
Arrow Electronics: la tua guida al SiC
Come per ogni nuova tecnologia, i cambiamenti saranno rapidi e ci saranno difficoltà da superare. Per sviluppare competenze e strumenti che consentano di realizzare la transizione al SiC con successo e rapidità, Arrow Electronics ha collaborato con il suo portafoglio di fornitori leader di SiC, tra cui Infineon Technologies, Microchip Technology, onsemi, ST Microelectronics e Wolfspeed.
Per ottenere tutti i vantaggi del SiC, è necessario rivalutare l'intero progetto, richiedendo ai progettisti di sistema di selezionare nuovi gate driver, sensori di corrente, condensatori, magneti, connettori e persino il controller. Consapevoli di questa necessità, Wolfspeed e Arrow Electronics hanno collaborato allo sviluppo del Wolfspeed SpeedVal Kit™, una piattaforma di valutazione modulare per SiC che consente ai progettisti di sistemi di valutare rapidamente diversi dispositivi SiC in combinazione con vari gate driver e controller in un ambiente plug-and-play.
Rispetto alle tecnologie Si, il carburo di silicio presenta chiari vantaggi che consentono di accelerare il percorso verso la decarbonizzazione e grazie alla sua esperienza dedicata alle alte potenze e al suo portafoglio di fornitori leader, Arrow Electronics occupa una posizione unica per contribuire ad accelerare l'adozione del SiC e il percorso verso la decarbonizzazione.
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