Moduli SiC ad Alta Densità con Chip di Grande Formato
L’industria automobilistica è in piena evoluzione, e la ricerca di veicoli elettrici (EV) più efficienti, potenti e leggeri spinge gli ingegneri a ripensare ogni componente del powertrain. Mentre l’attenzione del pubblico è spesso focalizzata sulla capacità delle batterie, i veri progressi rivoluzionari avvengono nel cuore del sistema: l’inverter di potenza. Questo componente critico è responsabile della conversione della corrente continua (DC) della batteria nella corrente alternata (AC) necessaria per alimentare il motore elettrico. Per decenni, la tecnologia dominante è stata basata sul silicio, ma un nuovo materiale, il carburo di silicio (SiC), sta rapidamente ridefinendo gli standard. Una nuova ricerca pubblicata sulla rivista Journal of Power Supply presenta un’innovazione dirompente nel design dei moduli di potenza in SiC, proponendo una strategia basata sull’uso di chip di grandi dimensioni. Questo studio, condotto da un team di ricercatori dell’Istituto di Ingegneria Elettrica dell’Accademia delle Scienze della Cina, affronta direttamente uno dei problemi più persistenti della tecnologia degli EV: la distribuzione non uniforme della corrente e della temperatura nei moduli di potenza. Risolvere questo problema non è solo una questione di efficienza, ma un passo cruciale verso inverter più potenti, compatti e, soprattutto, più affidabili.
Il passaggio dal silicio al SiC rappresenta un salto qualitativo per i sistemi di trazione elettrica. I dispositivi in SiC offrono vantaggi intrinseci che li rendono superiori ai loro omologhi in silicio. Innanzitutto, possiedono una tensione di rottura molto più elevata, il che consente loro di operare a tensioni di sistema più alte, come le moderne architetture a 800 V. Queste tensioni più elevate riducono la corrente necessaria per trasferire la stessa potenza, riducendo così le perdite resistive e il calore generato. In secondo luogo, i MOSFET in SiC presentano perdite di commutazione e di conduzione significativamente inferiori, il che si traduce direttamente in un aumento dell’efficienza complessiva del sistema. Questo guadagno di efficienza si traduce in un’autonomia maggiore per il veicolo, un fattore chiave per l’adozione di massa degli EV. Un terzo vantaggio fondamentale è la loro elevata conducibilità termica. Il SiC può dissipare il calore molto meglio del silicio, consentendo ai dispositivi di funzionare a temperature di giunzione più elevate in modo sicuro e affidabile. Questa combinazione di proprietà – alta efficienza, capacità di gestire alte tensioni e temperature – permette di progettare inverter più piccoli, più leggeri e più potenti, un obiettivo primario per la prossima generazione di veicoli elettrici.
Tuttavia, scalare la tecnologia in SiC per soddisfare le esigenze di corrente di centinaia di amper, tipiche dei veicoli ad alte prestazioni, presenta una sfida ingegneristica significativa. L’approccio tradizionale ha consistito nel collegare in parallelo un gran numero di chip in SiC più piccoli all’interno di un singolo modulo di potenza. Questa strategia, utilizzata in popolari formati di packaging come l’HPD (Hybrid PACK Drive), somma la capacità di molti dispositivi individuali per raggiungere la corrente totale richiesta. Per esempio, un modulo da 680 A potrebbe utilizzare 16 chip più piccoli, ognuno con una capacità di circa 40-50 A.
Questa architettura in parallelo, sebbene efficace in teoria, introduce una vulnerabilità critica: lo squilibrio di corrente e temperatura. Nessun chip semiconduttore è perfettamente identico, anche quando prodotti sullo stesso wafer. Esistono variazioni intrinseche nei parametri chiave come la resistenza in stato di conduzione (Rds(on)) e la tensione di soglia (Vth). Studi hanno dimostrato che queste variazioni possono raggiungere fino al ±40% per Vth e al ±15% per Rds(on) in un singolo lotto di produzione. Quando questi chip con parametri leggermente diversi vengono collegati in parallelo, il chip con una Rds(on) più bassa condurrà naturalmente più corrente dei suoi vicini. Questo flusso di corrente maggiore genera più calore in quel chip specifico, aumentandone la temperatura di giunzione. Sebbene i MOSFET in SiC abbiano un coefficiente di temperatura positivo per Rds(on) – il che significa che la loro resistenza aumenta con la temperatura, fornendo un meccanismo di autoripartizione della corrente – questo effetto di retroazione negativa è spesso troppo lento per compensare completamente lo squilibrio iniziale, specialmente sotto condizioni di carico dinamico come un’accelerazione rapida. Il risultato è la formazione di “punti caldi” (hotspot), dove alcuni chip operano a temperature significativamente più alte rispetto ad altri.
Questi punti caldi sono molto più che un semplice problema di gestione termica; sono una minaccia diretta per l’affidabilità a lungo termine. Il degrado dei materiali semiconduttori e dei materiali di incapsulamento, come le saldature, è un processo altamente dipendente dalla temperatura. Un chip che opera a 180 °C invecchierà esponenzialmente più velocemente di uno che opera a 150 °C. Una distribuzione di temperatura non uniforme significa che la vita utile di tutto il modulo è dettata dal chip più debole e più caldo, non dalla media. Inoltre, i cicli termici ripetuti (riscaldamento e raffreddamento) possono causare fatica meccanica e, infine, il fallimento alle interfacce tra i diversi materiali del pacchetto. Pertanto, raggiungere una distribuzione uniforme di corrente e temperatura non è solo un obiettivo di efficienza; è un requisito fondamentale per garantire la durata e la sicurezza del modulo di potenza, un componente critico in un veicolo.
Di fronte a queste limitazioni dell’approccio “molti chip piccoli”, il team di ricerca guidato da Dongrun Li e Puqi Ning ha proposto un cambiamento di paradigma: invece di collegare in parallelo molti chip piccoli, sostengono l’uso di meno chip, ma di dimensioni molto maggiori. Il loro lavoro si basa sullo sviluppo di una nuova generazione di chip in SiC di grande formato. Lo studio utilizza specificamente un chip da 1200 V, 3,5 mΩ sviluppato da SiChain Semiconductors a Ningbo. Questo singolo chip di grandi dimensioni ha una capacità intrinseca di conduzione della corrente molto maggiore – fino a 350 A a 150 °C – rispetto ai chip più piccoli da 16 mΩ tipicamente utilizzati nei moduli HPD.
L’ipotesi centrale della ricerca è elegante nella sua semplicità: riducendo il numero di dispositivi in parallelo, l’impatto delle variazioni di parametri viene drasticamente ridotto. Se un modulo può raggiungere la sua corrente obiettivo con quattro chip grandi invece che con sedici piccoli, ci sono semplicemente meno opportunità per uno squilibrio significativo. Anche se la variazione relativa di Rds(on) è la stessa, la differenza assoluta nella corrente tra il chip con la conduzione più alta e quella più bassa sarà più piccola, portando a un profilo di temperatura più uniforme attraverso il modulo.
Per validare questo concetto, il team ha progettato e realizzato un modulo di potenza prototipo ad alta densità di potenza utilizzando questa strategia di chip grandi. Un abilitatore chiave di questo design è l’adozione di una tecnologia di incapsulamento a rame legato direttamente (DBC) a strati multipli. A differenza dei pacchetti tradizionali con fili di bondaggio (wire-bond), dove lunghi fili introducono un’induttanza parassita significativa, il design DBC a strati multipli crea una struttura verticale a sandwich. I grandi chip in SiC sono posizionati tra due strati di DBC, e le connessioni sono realizzate tramite metalizzazione diretta e saldatura. Questo design riduce drasticamente l’induttanza parassita nel loop di potenza principale, cosa cruciale per la commutazione ad alta velocità e per minimizzare i picchi di tensione che possono danneggiare il dispositivo. Ancora più importante per questo studio, la disposizione simmetrica e planare del DBC a strati multipli fornisce percorsi di corrente e conduzione termica inherentemente bilanciati per i chip in parallelo. Questa simmetria fisica completa la strategia dei chip grandi, assicurando che qualsiasi piccola differenza elettrica o termica non sia esacerbata da un design del pacchetto asimmetrico.
I ricercatori hanno condotto un test a doppio impulso sul loro modulo prototipo, un metodo standard per valutare le caratteristiche di commutazione dinamica dei semiconduttori di potenza. I risultati sono stati convincenti. Il modulo ha funzionato con successo a una tensione di bus di 800 V con una corrente di picco di 350 A a una temperatura di giunzione di 150 °C, dimostrando le sue solide prestazioni elettriche. In un confronto diretto, un modulo tradizionale con fili di bondaggio che utilizza lo stesso tipo di chip grande ha iniziato a mostrare forti oscillazioni nel segnale della porta a una tensione molto più bassa di 650 V, evidenziando le prestazioni elettromagnetiche superiori e la stabilità del pacchetto DBC a strati multipli. Questa validazione sperimentale di successo ha dimostrato che il concetto di chip grandi e incapsulamento a bassa induttanza non è solo teorico, ma una soluzione valida e ad alte prestazioni.
Sebbene i risultati sperimentali abbiano confermato la funzionalità di base del modulo, il vero potere della ricerca risiede nella sua sofisticata analisi di simulazione, che approfondisce la complessa interazione tra comportamento elettrico e termico. Il team ha costruito un modello di simulazione elettro-termica accoppiata, uno strumento potente che collega un modello di circuito elettrico dei MOSFET in parallelo con un modello di rete termica dettagliato della struttura fisica del modulo. Questo modello termico, basato sull’approccio della rete Foster, rappresenta con precisione come il calore fluisce dall’area attiva del chip (la giunzione) attraverso i vari strati del pacchetto (saldatura, DBC, piastra di base) verso il dissipatore di calore.
La simulazione è stata progettata per imitare uno scenario operativo realistico: un carico che aumenta linearmente, simulando un’accelerazione di un VE. I ricercatori hanno eseguito due serie di simulazioni. La prima serie ha ignorato l’effetto di retroazione della temperatura, assumendo essenzialmente che i parametri elettrici dei chip rimanessero costanti indipendentemente dalla temperatura. In questo scenario, lo squilibrio di corrente è cresciuto costantemente con l’aumentare del carico, e la simulazione ha predetto una differenza di temperatura massima significativa tra il chip più caldo e quello più freddo nel modulo.
La seconda serie di simulazioni, più realistica, ha incorporato la retroazione della temperatura. Mentre la temperatura di ogni chip virtuale aumentava a causa della sua dissipazione di potenza, il modello aggiustava dinamicamente la sua Rds(on) in base al noto coefficiente di temperatura positivo del SiC. Questo ha creato un sistema a ciclo chiuso in cui la temperatura influenzava la corrente, e la corrente influenzava la temperatura.
I risultati di questa simulazione accoppiata sono stati il risultato più significativo dello studio. Come previsto, quando è stata inclusa la retroazione della temperatura, la differenza di temperatura massima tra i chip era inferiore rispetto al caso senza retroazione, confermando l’effetto di autoripartizione del coefficiente di temperatura positivo. Tuttavia, l’intuizione chiave è stata il confronto tra due diversi design di moduli: uno con quattro chip grandi da 3,5 mΩ, e uno con sedici chip piccoli da 16 mΩ, entrambi progettati per gestire la stessa corrente totale.
La simulazione ha chiaramente mostrato che il modulo con quattro chip grandi manteneva una differenza di temperatura massima più piccola rispetto al modulo con sedici chip piccoli, anche quando la retroazione della temperatura era attiva. Questa evidenza numerica supporta fermamente la tesi centrale: utilizzare meno chip più grandi è una strategia più efficace per ottenere una distribuzione uniforme della temperatura rispetto al contare unicamente sulle proprietà di autoripartizione intrinseche del materiale in una configurazione con un alto grado di parallelismo. La riduzione del numero di dispositivi in parallelo si traduce direttamente in un miglior controllo termico e, di conseguenza, in una maggiore affidabilità.
Questa ricerca rappresenta un contributo significativo al campo dell’elettronica di potenza per veicoli elettrici. Va oltre la semplice adozione della tecnologia SiC e affronta una sfida fondamentale a livello di sistema nella sua implementazione. Combinando una strategia innovativa per i dispositivi (chip grandi) con una tecnologia di incapsulamento avanzata (DBC a strati multipli), il team ha dimostrato una chiara strada verso una maggiore densità di potenza e un miglioramento dell’affidabilità. Le implicazioni sono ampie. Per i produttori di automobili, questa tecnologia potrebbe consentire lo sviluppo di inverter più compatti e leggeri, liberando spazio e riducendo il peso totale del veicolo, migliorando ulteriormente l’efficienza e l’autonomia. La maggiore uniformità termica significa anche che l’inverter può essere spinto a livelli di potenza più elevati con una maggiore fiducia nella sua durata nel tempo, sostenendo la tendenza verso veicoli elettrici ad alte prestazioni.
Inoltre, questo lavoro sottolinea l’importanza di un approccio di progettazione olistico. Il successo non è dovuto a un singolo balzo in avanti, ma all’integrazione sinergica di progressi nella fabbricazione di dispositivi semiconduttori, nella tecnologia di incapsulamento dei moduli di potenza e nella simulazione a livello di sistema. Sottolinea che il futuro dei veicoli elettrici sarà costruito su innovazioni integrate come questa, dove la scienza dei materiali, l’ingegneria elettrica e la gestione termica convergono per risolvere problemi complessi del mondo reale.
In conclusione, lo studio di Li, Ning e dei loro colleghi presenta una visione convincente per la prossima generazione di elettronica di potenza per veicoli elettrici. Sostenendo l’uso di chip in SiC di grandi dimensioni all’interno di un pacchetto simmetrico a bassa induttanza, hanno ideato una soluzione che affronta direttamente i problemi critici di squilibrio di corrente e temperatura. Questo approccio non promette solo una maggiore efficienza e densità di potenza, ma getta anche le basi per un’affidabilità a lungo termine più solida, essenziale per i veicoli elettrici nel mercato di massa. Mentre l’industria automobilistica continua la sua trasformazione verso l’elettrificazione, innovazioni come questa saranno gli eroi silenziosi, che lavorano all’interno del powertrain per rendere la guida elettrica più efficiente, più potente e, in ultima analisi, più sostenibile.
Dongrun Li, Puqi Ning, Yuhui Kang, Tao Fan, Guangyin Lei, Wenhua Shi, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Journal of Power Supply, DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.93