Dalle tecnologie edilizie al trasporto di passeggeri e merci, stiamo assistendo a cambiamenti sostanziali in tutti gli aspetti della vita quotidiana. In questo contesto sta emergendo un nuovo concetto: l'elettromobilità. Case automobilistiche, aziende industriali e istituti di ricerca stanno lavorando fianco a fianco per sviluppare veicoli completamente elettrici e le infrastrutture necessarie. Le aspettative nei confronti dei veicoli elettrici sono aumentate significativamente nell'ultimo anno. Negli ultimi anni, diverse aziende hanno studiato e testato nuovi concetti di trazione. I primi modelli di veicoli ibridi ed elettrici sono già disponibili sul mercato. Nuovi componenti, assenti nei veicoli diesel/benzina convenzionali, come i sistemi di alimentazione elettronica, vengono ora integrati nelle automobili.
Alcuni esempi di questo tipo di sistema sono:
- Inverter per il controllo del motore (fino a 300 kW)
- Caricabatterie (caricabatterie di bordo) da 3,6 kW a 22 kW
- Ricarica induttiva (ricarica wireless) da 3,6 kW a 22 kW
- Convertitore CC/CC fino a 5 kW
- Inverter per unità ausiliarie come sistemi di climatizzazione, servosterzo, pompe dell'acqua, ecc.
Nei sistemi sopra menzionati, l'elettronica di potenza svolge un ruolo decisivo nel garantire la funzionalità dei veicoli ibridi ed elettrici.
Il SiC è un materiale semiconduttore efficiente.
I requisiti imposti dai produttori OEM del settore automobilistico ai sistemi di elettronica di potenza rappresentano una sfida significativa per gli sviluppatori di tali sistemi. In particolare, spazio, peso ed efficienza sono considerazioni chiave. Inoltre, i costi complessivi del sistema e l'impegno richiesto durante la fase di progettazione del prodotto devono essere contenuti; allo stesso tempo, è necessario garantire la qualità del prodotto e la sicurezza di funzionamento.
L'efficienza dell'elettronica di potenza convenzionale si basa su tecnologie a semiconduttore di silicio e in genere varia tra l'85% e il 95%. Ciò significa che circa il 10% della corrente elettrica viene dispersa sotto forma di calore durante ogni conversione di energia. In generale, l'efficienza dell'elettronica di potenza è in gran parte limitata dalle prestazioni dei semiconduttori di potenza. Grazie alle sue proprietà fisiche, il materiale semiconduttore SiC ha un enorme potenziale per soddisfare i requisiti di queste tendenze di mercato.
Rispetto ai dispositivi a semiconduttore di silicio, l'intensità del campo elettrico del SiC è quasi dieci volte maggiore (2,8 MV/cm contro 0,3 MV/cm). L'elevata intensità del campo elettrico di questo substrato di SiC ad alta resistenza consente l'applicazione di una struttura a strati più sottili, noti come strati epitassiali, alla struttura di SiC. Ciò equivale a un decimo dello spessore degli strati epitassiali di silicio. La concentrazione di drogaggio del SiC può essere di due ordini di grandezza superiore rispetto al silicio alla stessa tensione di blocco. Pertanto, la resistenza superficiale (RonA) del componente risulta ridotta, con conseguente notevole diminuzione delle perdite di fase.
La progettazione termica gioca un ruolo cruciale nei sistemi di potenza elettronici per la progettazione di sistemi ad alta densità di potenza e, di conseguenza, per la realizzazione di sistemi compatti. Come materiale semiconduttore, il SiC è eccellente per queste applicazioni poiché la sua conduttività termica è quasi tre volte superiore a quella dei dispositivi a semiconduttore di silicio. Il SiC è inoltre adatto a temperature operative più elevate rispetto ai semiconduttori di silicio.
Dissipazione di energia dei dispositivi a semiconduttore:
Nel funzionamento dei sistemi di potenza elettronici, si verificano perdite di energia durante il passaggio di corrente e la commutazione dei componenti a semiconduttore. La perdita totale di energia nei sistemi di potenza elettronici è costituita da perdite statiche e perdite di commutazione. Le perdite statiche si verificano principalmente quando il componente di potenza è in conduzione. Le perdite di commutazione derivano dalla commutazione dei semiconduttori. Maggiore è la frequenza di commutazione durante il funzionamento, maggiori saranno le perdite di commutazione.
La frequenza di commutazione nei sistemi di potenza elettronici è spesso definita in base all'applicazione e ai limiti specifici del sistema. Ad esempio, la frequenza di commutazione di un azionamento elettrico è determinata dalla frequenza di uscita richiesta dal motore. Altri fattori, come il comportamento risonante dell'intero sistema, la compatibilità elettromagnetica (EMC) e la gestione termica, devono essere considerati per determinare la frequenza di commutazione appropriata. Oltre alle perdite di energia nel dispositivo a semiconduttore di potenza, si verificano anche perdite nei componenti passivi come trasformatori, induttori e condensatori all'interno del circuito. L'interazione tra i semiconduttori di potenza e i componenti passivi come induttori e trasformatori diventa il fattore determinante per ottenere un'elevata densità di potenza nel sistema. Pertanto, nella progettazione dei sistemi di alimentazione elettronica è necessario considerare le proprietà fisiche dei componenti passivi e dei semiconduttori.
Le perdite statiche e di commutazione, così come quelle dei componenti passivi, contribuiscono alle perdite totali di energia del sistema, che possono essere convertite in calore. Il calore generato deve essere dissipato attraverso un mezzo di raffreddamento adeguato per garantire l'affidabilità dei componenti e del sistema. In linea di principio, le perdite di commutazione si verificano in un singolo processo di commutazione, ad esempio, quando i semiconduttori vengono commutati. Un aumento della frequenza di commutazione comporta un aumento delle perdite totali di commutazione, che a sua volta incide significativamente sulle perdite totali di energia. In alcuni sistemi di alimentazione elettronica per veicoli, un'elevata frequenza di commutazione è preferibile per soddisfare i requisiti o le specifiche del sistema. In un sistema di questo tipo, le perdite di commutazione rappresenteranno una parte considerevole delle perdite totali di energia del sistema. Se in questo tipo di applicazioni vengono utilizzati semiconduttori al silicio con elevate frequenze di commutazione, l'elevata dissipazione di potenza e il conseguente calore obbligano gli sviluppatori di sistemi a garantire la funzionalità e l'affidabilità del sistema. Ciò significa, in altre parole, che un'elevata frequenza di commutazione implica un minore consumo energetico. Tuttavia, se in queste applicazioni sono essenziali elevate correnti di carico, le dimensioni complessive del sistema devono aumentare di conseguenza. Questa misura sarebbe inevitabile a questo punto, ma non soddisfa le aspettative dell'utente finale. Si può affermare che i semiconduttori al silicio hanno quasi raggiunto i loro limiti.
Quando si confronta un MOSFET in SiC e un IGBT al silicio in applicazioni caratterizzate da elevate frequenze di commutazione, si può affermare che la corrente di uscita deve essere ridotta a causa delle elevate perdite di commutazione dell'IGBT al silicio e del calore che ne deriva. Questo è l'unico modo per evitare di superare la temperatura operativa massima del chip e per garantire la funzionalità del semiconduttore.
Testo nel grafico: Concorrente; Frequenza di commutazione (kHz), SiC fornisce una corrente di carico maggiore a frequenze di commutazione più elevate. Corrente di carico (Arms).
Tutto appare diverso quando si utilizza SiC. Il semiconduttore SiC offre prestazioni di commutazione migliori rispetto all'IGBT al silicio. Pertanto, SiC causa minori perdite di commutazione a frequenze di commutazione più elevate. Di conseguenza, è possibile ottenere una corrente di carico maggiore nell'applicazione ad alte frequenze di commutazione rispetto a un IGBT al silicio.
La Figura 2 mostra un confronto tra un modulo a semiponte in SiC (BSM300D12P2E001) e quattro diversi moduli IGBT di un unico produttore.
Questa immagine indica chiaramente che, per alte frequenze di commutazione, il MOSFET in SiC è più efficiente dell'IGBT al silicio. Utilizzando un modulo IGBT da 300 A e una frequenza di commutazione di 40 kHz, non è stato possibile raggiungere una corrente di carico superiore a 80 Arms nell'applicazione. Al contrario, è stato possibile raggiungere una corrente di carico di 200 Arms utilizzando un modulo SiC Rohm da 300 A. Ciò rappresenta un aumento del 120% della corrente di carico rispetto all'IGBT al silicio.
Per sviluppare sistemi di elettronica di potenza compatti, i progettisti devono utilizzare un raffreddamento ottimale. Negli ultimi anni, diversi nuovi concetti di raffreddamento sono entrati nel mercato per superare queste sfide; tuttavia, si tratta generalmente di concetti molto costosi che a volte causano problemi nelle applicazioni. Questi problemi si verificano non solo durante la fase di sviluppo, ma anche durante la produzione e il funzionamento. Grazie all'utilizzo di un materiale semiconduttore efficiente come il SiC, questo complesso processo di raffreddamento può essere eliminato, con conseguente riduzione dei costi di raffreddamento e maggiore facilità di funzionamento del sistema.
Miniaturizzazione dei sistemi di elettronica di potenza:
le case automobilistiche hanno imposto diversi requisiti ai sistemi di elettronica di potenza, prendendo come riferimento gli scenari applicativi dei veicoli elettrici. Questi includono, ad esempio, resistenza alle variazioni di temperatura, resistenza alle vibrazioni, funzionamento affidabile a diverse temperature e una lunga durata. Inoltre, un requisito come l'elevata densità di potenza nei sistemi integrati è ora considerato essenziale dalle case automobilistiche. Tuttavia, tutti questi requisiti rappresentano una sfida significativa per l'elettronica di potenza.
La gamma di batterie ad alta tensione è uno dei maggiori ostacoli alla diffusione di veicoli ibridi ed elettrici. Per convincere il cliente finale (ovvero il proprietario dell'auto) della mobilità elettrica, alcuni produttori di automobili si affidano attualmente a sistemi di ricarica rapida progettati per semplificare l'uso delle auto elettriche. Tuttavia, da un punto di vista tecnico, la ricarica rapida implica la necessità di prestazioni di ricarica più elevate in un breve periodo di tempo per caricare completamente la batteria. Poiché lo spazio disponibile all'interno di un veicolo è sempre limitato, il sistema di ricarica della batteria deve avere un'elevata densità di potenza. Questo è l'unico modo per integrare questi sistemi nel veicolo e al contempo soddisfare le richieste del mercato.
I caricabatterie di bordo sono sistemi complessi composti da vari componenti per la conversione dell'energia. Questi sistemi integrano diversi componenti, come semiconduttori (ad esempio diodi e MOSFET), componenti passivi (come induttori e condensatori) e un trasformatore con un rapporto di spire adattato per caricare la batteria alla tensione richiesta. Il trasformatore viene utilizzato anche per il disaccoppiamento galvanico della batteria ad alta tensione durante la carica.
Un modo per miniaturizzare l'elettronica di potenza è quello di rendere più compatti i componenti passivi, come induttori e trasformatori. Ciò è generalmente possibile solo se i semiconduttori utilizzati nel circuito possono essere controllati ad un'elevata frequenza di commutazione. Nel caso dei semiconduttori al silicio, il carico termico generato dalle alte frequenze di commutazione limiterà questo approccio. Al contrario, il MOSFET al SiC è ideale per queste applicazioni grazie alle sue eccellenti caratteristiche di commutazione.
La Figura 3 illustra questo concetto con un esempio: per un convertitore DC/DC che utilizza semiconduttori al silicio, la frequenza di commutazione è limitata a 25 kHz. Utilizzando un MOSFET al SiC, è possibile raggiungere una frequenza di commutazione di 160 kHz. Ciò si traduce in una significativa miniaturizzazione della qualità complessiva degli avvolgimenti del sistema, nonché in un'elevata densità di potenza e in una notevole riduzione del peso complessivo.
Peso – sistema a semiconduttore di silicio – sistema a semiconduttore SiC
Volume – dimensione del chip
I vantaggi dei semiconduttori SiC sono stati finalmente riconosciuti dalle case automobilistiche. I primi prodotti, in particolare i diodi SiC di Rohm, vengono utilizzati per la ricarica a bordo di diversi veicoli di serie in tutto il mondo. Rohm offrirà presto anche il primo MOSFET SiC al mondo per applicazioni automotive. Oltre ai sistemi di ricarica delle batterie, i semiconduttori SiC promettono un enorme potenziale in applicazioni come i convertitori DC/DC e gli inverter. Rohm offre soluzioni specifiche per questo tipo di applicazioni.
La seconda generazione di diodi Schottky Barrier Diode (SBD) SiC di Rohm comprende attualmente prodotti per 650 V con correnti da 5 a 100 A, nonché per 1200 V e 1700 V con una capacità di corrente fino a 50 A. La gamma di MOSFET SiC di Rohm è ancora più ampia, poiché l'azienda offre due diverse tecnologie: planare e a doppia trincea. La tecnologia planare offre già prodotti e moduli discreti nelle gamme di tensione di 650 V, 1200 V e 1700 V, con una capacità di corrente fino a 300 A.
ROHM sta avviando la produzione di massa di MOSFET SiC di terza generazione per componenti discreti, nonché di moduli SiC completi che incorporano la sua tecnologia proprietaria a doppia trincea, ampliando la famiglia di prodotti MOSFET esistente e contribuendo allo sviluppo di elettronica di potenza efficiente e affidabile.
Autore: Aly Mashaly, Responsabile del Dipartimento Sistemi di Potenza di ROHM Semiconductor GmbH
