Un monitoraggio e un controllo efficaci sono essenziali per il funzionamento efficiente e affidabile dei sottosistemi elettrici. Fornitori di semiconduttori come Microchip offrono un'ampia gamma di hardware e software, strumenti di sviluppo embedded e soluzioni di alimentazione ad alta efficienza basate sul carburo di silicio (SiC) per favorire l'innovazione nei sistemi per veicoli elettrici e ibridi elettrici.
I progettisti di sottosistemi automobilistici si impegnano costantemente a sviluppare soluzioni innovative che estendano l'autonomia dei veicoli elettrici e riducano i tempi di ricarica. Per raggiungere questi obiettivi, hanno spinto le tecnologie basate sul silicio quasi al limite delle loro capacità fisiche in termini di dimensioni, peso ed efficienza energetica, e stanno passando alle soluzioni in SiC per affrontare queste sfide. Rispetto al silicio, i dispositivi in SiC offrono una minore resistenza di connessione, velocità di commutazione più elevate e la capacità di sopportare tensioni e correnti maggiori a temperature di giunzione più alte. Un altro vantaggio chiave del SiC è la sua dimensione ridotta, che consente una maggiore densità di potenza, fondamentale in molte applicazioni chiave dei veicoli elettrici. Non sorprende quindi che il mercato automobilistico dei semiconduttori di potenza in SiC a banda larga (WBG) sia destinato a crescere di tredici volte rispetto all'attuale valore di 1 miliardo di dollari entro il 2030, secondo Omdia (SiC power semiconductors by application, 2022 Mid Case report).
La tendenza verso tensioni più elevate, come 800 V, nei veicoli elettrici sta guidando la progettazione di nuovi inverter di trazione, convertitori DC-DC, caricabatterie di bordo e compressori per pompe di calore e celle a combustibile. I MOSFET SiC ad alta tensione e i diodi ad alte prestazioni sono ideali per i veicoli elettrici, soprattutto nelle applicazioni commerciali e fuoristrada dove la disponibilità è fondamentale.
L'infrastruttura di ricarica a 400 V esistente per i veicoli convenzionali dovrà inoltre essere compatibile con i nuovi veicoli a 800 V. La crescente necessità di alte tensioni sta spingendo lo sviluppo di moduli di conversione DC-DC integrati nei veicoli per superare le barriere di tensione.
La tecnologia SiC può anche fungere da elemento di commutazione in un interruttore automatico a stato solido, o fusibile elettronico, per proteggere i componenti elettrici del veicolo e diagnosticare i guasti prima che si trasformino in gravi malfunzionamenti. I tempi di fermo per le riparazioni e i relativi costi possono essere ridotti grazie a migliori opzioni di diagnostica e configurazione rispetto alle soluzioni meccaniche.
Allo stesso tempo, vi è una crescente domanda di infrastrutture di ricarica rapida in corrente continua per ricaricare velocemente i veicoli. Ciò è particolarmente importante per le applicazioni commerciali, dai camion e autobus alle macchine per l'industria mineraria e edile, che devono rimanere operative il più a lungo possibile.
Interruttori automatici a stato solido:
l'utilizzo del SiC per un interruttore automatico a stato solido offre numerosi vantaggi rispetto alle soluzioni di protezione dei circuiti tradizionali. Questa tecnologia consente una commutazione rapida tramite un profilo di intervento configurabile via software, ad esempio tramite un'interfaccia LIN, per interrompere un circuito in microsecondi, da 100 a 500 volte più velocemente rispetto ai metodi meccanici tradizionali, grazie al suo design a stato solido ad alta tensione.
L'E-Fuse è ripristinabile, eliminando la necessità di sostituire i fusibili fisici e fornendo una soluzione affidabile a lungo termine in caso di frequenti interruzioni del circuito. I potenziali rischi di arco elettrico derivanti dalla commutazione di correnti continue ad alta tensione con contatti meccanici vengono eliminati grazie all'utilizzo di una soluzione E-Fuse a stato solido.
Il dimostratore della tecnologia E-Fuse di Microchip con interruttori MOSFET mSiC™ da 700 V e 1200 V combina il rilevamento della corrente, gli amplificatori, un'interfaccia LIN e un microcontrollore PIC™ a 8 bit con periferiche indipendenti dal core per offrire una soluzione completa e altamente integrata. Tutti i componenti sono disponibili con certificazione AEC per applicazioni automotive. Questo progetto implementa una curva caratteristica tempo-corrente (TCC) che aiuta i progettisti a passare dai fusibili o contattori tradizionali e presenta un tempo di tenuta al cortocircuito fino a 10 µs con una corrente nominale fino a 30 A.
Ricarica rapida:
i veicoli elettrici, commerciali e fuoristrada richiedono capacità di ricarica rapida. Mentre un'auto può essere parcheggiata durante la notte per la ricarica, autobus o macchine edili devono funzionare in modo efficiente 24 ore su 24. Questi veicoli stanno passando a pacchi batteria da 800 V o addirittura 1.000 V per fornire i livelli di potenza richiesti per veicoli più grandi con carichi pesanti.
Questi caricabatterie di bordo necessitano di livelli di potenza più elevati, dove la tecnologia SiC offre una soluzione ottimale. I dispositivi con tensioni nominali di 1.200 V e persino 1.700 V offrono agli sviluppatori una maggiore flessibilità di progettazione. Ciò può tradursi in prestazioni di picco del veicolo più elevate, minore ridondanza e produzione di componenti più semplice.
La maggiore efficienza del SiC rispetto agli IGBT al silicio significa anche che sono necessari dissipatori di calore più piccoli, riducendo il peso del veicolo.
È disponibile un dimostratore tecnologico di un caricabatterie DC-DC isolato da 30 kW, basato su MOSFET mSiC da 1200 V con resistenza all'effetto valanga e doppi diodi mSiC da 1200 V. Il progetto presenta un'efficienza massima superiore al 98%, una tensione di ingresso di 650–750 V e una tensione di uscita di 150–600 V con una corrente massima di 50–60 A e una frequenza di commutazione di 140 kHz. Il design del circuito stampato è stato ottimizzato per garantire sicurezza, resistenza alle sollecitazioni meccaniche e di corrente e immunità ai disturbi.
Figura 2 Convertitore DC-DC SiC da 30 kW
Inoltre, è disponibile un progetto di riferimento PFC (correzione del fattore di potenza) trifase da 30 kW in topologia Vienna, basato su dispositivi SiC. I PFC sono tipicamente necessari per la conversione da CA a CC e per mantenere lo sfasamento della corrente di ingresso CA entro limiti ben definiti rispetto alla tensione di ingresso CA, garantendo un fattore di potenza prossimo all'unità e una bassa distorsione armonica totale (THD).
In futuro, sarà necessario reimmettere energia nella batteria del veicolo. Questa capacità di ricarica bidirezionale può essere dimostrata con un altro progetto PFC da 11 kW basato su SiC in configurazione totem-pole.
Sia la conversione CC-CC che il PFC possono essere combinati in modo modulare.
Figura 3 Progetto di riferimento PFC Vienna 30 kW
Componenti base per caricabatterie infrastrutturali fino a 150 kW:
il carburo di silicio è fondamentale anche per le infrastrutture di ricarica. Gli stessi vantaggi di tensioni e correnti più elevate, uniti a una maggiore efficienza per elementi di raffreddamento più piccoli, consentono di realizzare caricabatterie di dimensioni ridotte. Mentre le dimensioni del caricabatterie non sono così critiche per i veicoli commerciali e fuoristrada parcheggiati durante la notte, lo sono per i caricabatterie domestici bidirezionali in corrente continua, sempre più diffusi.
Allo stesso modo, i caricabatterie rapidi pubblici in corrente continua di livello 3 bypassano il caricabatterie di bordo (OBC) del veicolo per caricare la batteria direttamente tramite il sistema di gestione della batteria (BMS) del veicolo elettrico. Bypassare l'OBC consente velocità di ricarica molto più elevate, con una potenza di uscita del caricabatterie che va da 50 a 350 kW.
L'utilizzo di un approccio di progettazione modulare implica l'impiego di un front-end PFC per la conversione CA-CC, spesso partendo da tensioni CA più elevate come 480 V, con una serie di moduli convertitori CC-CC isolati in parallelo per alimentare il veicolo.
Questo approccio progettuale consente lo sviluppo di una gamma di caricabatterie a partire da moduli base per soddisfare le diverse esigenze degli operatori del settore automobilistico. Con l'evoluzione dei requisiti dei veicoli, che richiedono una maggiore potenza per una ricarica più rapida, l'infrastruttura di ricarica può essere adattata utilizzando dispositivi SiC. Questo approccio viene utilizzato per sistemi di ricarica rapida fino a 150 kW e per sistemi con prestazioni ancora superiori.
L'utilizzo della gestione digitale dell'alimentazione e una combinazione di MOSFET e diodi SiC consentono di realizzare progetti che offrono elevata efficienza e integrazione di sistema, alta densità di potenza, circuiti di controllo digitali avanzati e maggiore flessibilità in diverse topologie di alimentazione per applicazioni di ricarica rapida in corrente continua. Questi dispositivi possono essere combinati con dispositivi analogici, gestione dell'alimentazione, connettività wireless e cablata, misurazione dell'energia, memoria, sicurezza e interfaccia uomo-macchina (HMI) per completare un progetto di ricarica rapida in corrente continua di livello 3.
In conclusione:
le soluzioni Widebandgap (WBG) come il SiC sono fondamentali per la mobilità elettrica, consentendo livelli più elevati di efficienza, densità e affidabilità nella conversione di potenza.
Microchip può aiutare i progettisti ad adottare il carburo di silicio in modo semplice, rapido e sicuro con i suoi prodotti e soluzioni di potenza mSiC™.
Questa gamma comprende SiC basati su chip, componenti discreti e moduli da 700 V a 3,3 kV.
Inoltre, il portfolio globale comprende MPU, MCU, chip Wi-Fi®/Bluetooth® e di misurazione, nonché un'interfaccia utente grafica touchscreen per applicazioni all'interno delle stazioni di ricarica. Per quanto riguarda il settore automobilistico, include controller di segnale digitale per autoveicoli, componenti di rete di bordo e controller, tra gli altri.
La soluzione completa comprende anche pacchetti software per algoritmi di controllo della potenza avanzati in modalità motore e a commutazione, nonché stack software per autoveicoli e librerie diagnostiche per la sicurezza funzionale.
Autore: Andreas von Hofen, responsabile marketing del gruppo Automotive Products di Microchip Technology
