SiC MOSFET vs. Si IGBT: Vantaggi del SiC MOSFET

Di Omara Aziz

MOSFET vs. IGBT: Il futuro del controllo dei motori

Dispositivi elettromeccanici — interruttori, solenoidi, encoder, generatori e motori elettrici — sono il fondamentale ponte dal mondo digitale al mondo fisico. La magia di tutti questi dispositivi è la loro capacità di convertire segnali elettrici in azioni meccaniche.
 
Man mano che settori come la produzione automatizzata, i veicoli elettronici, i sistemi edilizi avanzati e gli elettrodomestici intelligenti avanzano, cresce anche la domanda di maggiore controllo, efficienza e capacità di questi dispositivi elettromeccanici. Questo articolo esplora come le innovazioni nei MOSFET al carburo di silicio (SiC MOSFET) stiano ridefinendo le capacità dei motori elettrici che storicamente utilizzavano IGBT al silicio (Si IGBT) per l'inversione di potenza. Questa innovazione espande le capacità delle applicazioni di azionamento motore in quasi ogni settore.

Che cosa sono gli Si IGBT e i SiC MOSFET?

Si IGBT è l'acronimo di transistori bipolari a gate isolato al silicio. SiC MOSFET è l'abbreviazione di transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo al carburo di silicio.
 
Si IGBT sono dispositivi controllati dalla corrente che vengono attivati da una corrente applicata al terminale di gate del transistore, mentre i MOSFET sono controllati dalla tensione applicata al terminale di gate.
 
La principale differenza tra Si IGBT e SiC MOSFET è il tipo di corrente che possono gestire. In generale, i MOSFET sono adatti per applicazioni di commutazione ad alta frequenza, mentre gli IGBT sono più adatti per applicazioni ad alta potenza.

Perché i dispositivi IGBT al silicio e i MOSFET al carburo di silicio sono essenziali nelle applicazioni di azionamento motore

I motori elettrici sono omnipresenti nella tecnologia moderna e spesso si affidano a sistemi a batteria come fonte di alimentazione. Ad esempio, i veicoli elettrici utilizzano vasti sistemi di batterie che forniscono energia DC al veicolo, creando così movimento fisico tramite motori elettrici AC. Il controllo assoluto di questi motori AC è essenziale per le prestazioni e l'efficienza del veicolo, nonché per la sicurezza degli occupanti. Tuttavia, questo sistema di trasmissione si basa su inverter per convertire l'energia DC dalla batteria in un segnale AC che i motori possono utilizzare per creare movimento.
 
Questi inverter controllano con precisione la velocità, la coppia, la potenza e l'efficienza del motore e consentono capacità di frenata rigenerativa. In definitiva, l'inverter è tanto prezioso per il sistema di trasmissione quanto il motore. Come accade con tutti i dispositivi in applicazioni di potenza, gli inverter possono variare drasticamente nelle capacità e nei requisiti di progettazione e sono essenziali per le prestazioni complessive del sistema di energia DC per il sistema di motore AC.
 
Due tipi di inverter sono utilizzati nelle moderne applicazioni DC to AC motor: IGBT al silicio e MOSFET al carburo di silicio. Storicamente, gli IGBT Si sono i più comuni, ma i MOSFET SiC hanno moltiplicato la loro popolarità grazie ai vari vantaggi prestazionali e ai costi in continua diminuzione. Quando i MOSFET SiC apparvero per la prima volta sul mercato, erano ampiamente proibitivi in termini di costi per la maggior parte delle applicazioni di azionamento del motore. Tuttavia, con l'aumento dell'adozione di questa tecnologia superiore, la produzione su scala ha ridotto notevolmente il costo dei MOSFET SiC.

Vantaggi e svantaggi degli IGBT Si rispetto ai MOSFET SiC

Gli IGBT al silicio sono storicamente utilizzati nelle applicazioni di pilotaggio motore da DC a AC a causa della loro alta capacità di gestione della corrente, velocità di commutazione rapida e basso costo. Soprattutto, gli IGBT al silicio hanno una tensione nominale elevata con una bassa caduta di tensione, perdite di conduzione e impedenza termica, rendendoli una scelta ovvia nelle applicazioni di pilotaggio motore ad alta potenza, come i sistemi di produzione. Tuttavia, un considerevole svantaggio degli IGBT al silicio è la loro alta suscettibilità al runaway termico. Il runaway termico si verifica quando la temperatura del dispositivo aumenta in modo incontrollato, causando il malfunzionamento e infine il guasto del dispositivo. Nelle applicazioni di pilotaggio motore, dove le alte correnti, tensioni e condizioni operative sono comuni, come nei veicoli elettrici o nella produzione, il runaway termico può rappresentare un rischio significativo nel design.
 
Come soluzione a questa sfida progettuale, i MOSFET al carburo di silicio sono più resistenti al runaway termico. Il carburo di silicio è più conduttivo termicamente, permettendo una migliore dissipazione del calore a livello di dispositivo e temperature operative stabili. I MOSFET al carburo di silicio sono più adatti per ambienti con condizioni ambientali più calde, come le applicazioni automobilistiche e industriali. Inoltre, data la loro conducibilità termica, i MOSFET al carburo di silicio possono eliminare la necessità di sistemi di raffreddamento aggiuntivi, potenzialmente riducendo la dimensione complessiva del sistema e il costo del sistema stesso.
 
Poiché i MOSFET al carburo di silicio operano a frequenze di commutazione molto più elevate rispetto agli IGBT al silicio, sono ideali per applicazioni in cui il controllo preciso del motore è essenziale. Le alte frequenze di commutazione sono fondamentali nella produzione automatizzata, dove vengono utilizzati servo motori altamente accurati per il controllo del braccio degli attrezzi, la saldatura di precisione e il posizionamento preciso degli oggetti.
 
Inoltre, un vantaggio notevole dei MOSFET al carburo di silicio rispetto ai sistemi di pilotaggio motore con IGBT al silicio è la loro capacità di essere integrati all'interno dei moduli motore, con un controller motore e un inverter integrati all'interno dello stesso alloggiamento del motore.
 
Spostando l'assemblaggio del pilotaggio motore nella posizione locale del motore, si può ridurre drasticamente il cablaggio tra gli inverter di pilotaggio e il pilotaggio motore, ottenendo risparmi significativi. Nell'esempio dell'Immagine B, un tradizionale armadio di potenza con IGBT al silicio potrebbe richiedere 21 cavi unici per alimentare i sette motori (etichettati come 'M') del braccio robotico, il che potrebbe ammontare a centinaia di metri di costosa e complessa infrastruttura di cablaggio. Con un sistema di pilotaggio motore con MOSFET al carburo di silicio, il numero di cavi può essere ridotto a due cavi lunghi che si collegano a ciascun pilotaggio del motore all'interno del modulo motore locale.

Svantaggi dei MOSFET SiC rispetto agli IGBT Si

Tuttavia, ci sono degli svantaggi nei MOSFET SiC rispetto agli IGBT Si. Innanzitutto, i MOSFET SiC sono ancora più costosi degli IGBT Si, rendendoli potenzialmente meno adatti per applicazioni sensibili ai costi. Sebbene i MOSFET SiC stessi siano più costosi, alcune applicazioni possono vedere una riduzione dei costi nel sistema complessivo del driver del motore (riduzione del cablaggio, componenti passivi, gestione termica, ecc.) e possono risultare complessivamente più economici rispetto a un sistema IGBT Si. Questo risparmio sui costi potrebbe richiedere un'analisi progettuale e di costi tra i due sistemi applicativi ma potrebbe portare a un aumento dell'efficienza e a risparmi sui costi.
 
Un altro svantaggio dei MOSFET SiC è che possono presentare requisiti di pilotaggio del gate più complessi, il che potrebbe renderli meno ideali rispetto agli IGBT in applicazioni in cui altri componenti del sistema possono limitare le risorse di pilotaggio del gate.

Tecnologia inverter migliorata con MOSFET al carburo di silicio

I MOSFET al carburo di silicio hanno migliorato drasticamente la tecnologia degli inverter per i sistemi di azionamento motore. Come avviene con tutti i tipi di componenti, ci sono applicazioni particolari dove gli IGBT possono essere ancora più adatti. Tuttavia, gli inverter con MOSFET SiC offrono diversi vantaggi distinti rispetto agli IGBT Si, rendendoli soluzioni molto attraenti per applicazioni di azionamento motore e una vasta gamma di altre applicazioni.
 
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