Negli ultimi anni, abbiamo assistito all'adozione di semiconduttori a banda larga, come il carburo di silicio (SiC), negli inverter per veicoli elettrici in sostituzione dei tipici transistor bipolari a gate isolato al silicio (Si IGBT). L'utilizzo del SiC consente ai moduli di potenza di raggiungere una maggiore densità e di operare a temperature più elevate, aprendo nuove opportunità in termini di gestione termica e dei materiali per l'elettronica di potenza dei veicoli.
La transizione al SiC
Nonostante il costo crescente dei transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) in SiC, la loro penetrazione nel mercato dei veicoli elettrici è stata considerevole. Secondo una ricerca di IDTechEx, nel 2020 gli inverter MOSFET in SiC rappresentavano quasi il 30% del mercato globale dei veicoli elettrici. Tesla ha dato il via a questa tendenza nel 2018 e altri produttori come BYD hanno veicoli in circolazione. Colossi come Stellantis e Hyundai stanno integrando l'elettronica di potenza in SiC nei modelli di fascia bassa per supportare le loro piattaforme ad alta tensione (800 V).
Sfide della gestione termica
L'elettronica di potenza nei veicoli elettrici presenta interessanti sfide in termini di gestione termica, e l'adozione del SiC modifica diversi aspetti della progettazione di moduli e package, nonché la selezione dei materiali. In un package tradizionale per elettronica di potenza, si verificano diversi potenziali punti di guasto a causa dei cicli termici. Quando il package si riscalda e si raffredda, la differenza di dilatazione termica tra i materiali provoca il degrado di varie connessioni, tra cui giunzioni dei fili, giunzioni del die e giunzioni del substrato. Nei package in SiC, la densità di potenza e la temperatura di esercizio possono essere notevolmente aumentate, il che significa che alcune opzioni tradizionali non sono più adatte.
Oggi, le giunzioni dei fili di alluminio rappresentano la tecnologia di interconnessione dominante; tuttavia, costituiscono un punto critico di guasto. Ciò ha portato a un maggiore utilizzo di giunzioni con leghe di alluminio, rame o persino con il collegamento diretto dei terminali. Anche i materiali utilizzati per il fissaggio degli array sono fondamentali. In genere, questo viene fatto con la saldatura tradizionale, ma a temperature operative più elevate (soprattutto con il SiC), la saldatura SAC (stagno-argento-rame) standard può risultare inaffidabile, il che ha portato all'emergere di alternative come la sinterizzazione dell'argento, in grado di offrire prestazioni significativamente migliori in condizioni di cicli termici. Il package Tesla di STMicroelectronics utilizza una combinazione di giunzioni a nastro di rame e giunzioni con fili di alluminio sinterizzati in argento per il fissaggio all'array. Siamo molto interessati a queste tecnologie alternative emergenti. In futuro, siamo certi che assisteremo a una maggiore adozione di queste opzioni nei package degli inverter, per consentire una maggiore affidabilità in formati più compatti e una maggiore efficienza.
Su scala più ampia, analogamente a molte batterie per veicoli elettrici, l'elettronica di potenza dei veicoli tende ad essere raffreddata a liquido. Tipicamente, il liquido refrigerante scorre attraverso le alette del dissipatore di calore situato sotto il modulo. Sebbene questo aspetto della gestione termica dell'elettronica di potenza non sia innovativo quanto i materiali emergenti all'interno del package, offre comunque interessanti opportunità per l'integrazione dell'intero veicolo. Molti veicoli utilizzano lo stesso percorso di raffreddamento attraverso l'elettronica di potenza e il motore elettrico. Ad esempio, in alcuni modelli, il calore di scarto può essere recuperato dal gruppo propulsore per riscaldare l'abitacolo, contribuendo a ridurre le perdite e a migliorare l'autonomia complessiva del veicolo, soprattutto in condizioni di freddo.
L'evoluzione dell'elettronica di potenza, in particolare verso i semiconduttori a banda larga, sta trasformando la gestione termica e, di conseguenza, il panorama dei materiali nell'elettronica di potenza dei veicoli elettrici. Il report "Thermal Management for Electric Vehicles 2021-2031" di IDTechEx analizza diversi casi d'uso all'interno dei package di elettronica di potenza dei veicoli elettrici, nonché le tendenze in materia di giunzione dei fili, fissaggio del chip e materiali del substrato. Oltre all'elettronica di potenza, il report approfondisce le strategie di gestione termica per batterie, motori ed elettronica di potenza, incluse le previsioni di mercato fino al 2031.
