Pertanto, dobbiamo dare maggiore importanza alla sensibilizzazione della società sulle nostre azioni e trovare il modo di impedire che il nostro consumo energetico causi danni irreparabili al pianeta. La diffusione capillare degli impianti di produzione di energia rinnovabile e l'elettrificazione dei veicoli sono due delle principali iniziative in questo senso.
Nei prossimi anni, si prevede che il consumo di veicoli elettrici aumenterà di dieci volte rispetto ai livelli attuali. Ad esempio, l'Unione Europea (UE) punta ad avere oltre 30 milioni di veicoli elettrici per il trasporto passeggeri sulle proprie strade entro la fine di questo decennio. Ciò è dovuto a diversi fattori. In primo luogo, i significativi investimenti che governi e aziende private stanno effettuando nelle infrastrutture di ricarica stanno infondendo maggiore fiducia nel pubblico, incoraggiandolo a passare dalle tradizionali auto con motore a combustione interna ai veicoli elettrici. Attualmente, in tutto il continente europeo sono in funzione circa 250.000 punti di ricarica, e questo numero è in continua crescita. Altri due motivi fondamentali per cui aumenterà l'adozione dei veicoli elettrici sono la maggiore autonomia e la ricarica più rapida, che si traducono in maggiore comodità per l'utente.
Inoltre, è altrettanto importante la spinta a migliorare l'efficienza operativa e a eliminare le perdite di energia. Maggiore è la percentuale di energia solare ed eolica convertibile in elettricità, più efficienti saranno questi impianti di energia rinnovabile; pertanto, è necessario impegnarsi per implementare miglioramenti progettuali negli inverter utilizzati. I motori elettrici e gli azionamenti industriali devono funzionare con il minimo spreco. Per raggiungere questo obiettivo, saranno necessari algoritmi di controllo più sofisticati.
Le nuove sfide richiedono nuove strategie.
Le esigenze attuali dei veicoli elettrici, degli azionamenti industriali e delle energie rinnovabili impongono una continua innovazione nei sistemi elettrici. L'avvento della tecnologia a semiconduttore a banda larga (WBG) è stato fondamentale per raggiungere nuovi livelli di prestazioni e consentire una riduzione delle dimensioni complessive del sistema (specificando componenti passivi periferici più piccoli). L'utilizzo del carburo di silicio (SiC) al posto del silicio (Si), ad esempio, ha permesso velocità di commutazione molto più elevate. Di conseguenza, l'efficienza di conversione energetica può essere notevolmente migliorata. I MOSFET in SiC stanno sostituendo i voluminosi IGBT in Si, e le perdite di accensione e spegnimento sono state significativamente ridotte. I vantaggi di ciò sono visibili nei convertitori DC/DC utilizzati nei veicoli elettrici e nei sistemi di energia rinnovabile.
Inoltre, le maggiori densità di potenza offerte dai moduli MOSFET in SiC consentono di realizzare inverter per energie rinnovabili, azionamenti industriali e sistemi di controllo motori molto più compatti, pur offrendo un funzionamento più efficiente. Sono in grado di operare a temperature più elevate rispetto alle loro controparti in Si, quindi è necessario considerare anche i vantaggi in termini di affidabilità.
Per raggiungere i miglioramenti necessari a garantire la sostenibilità a lungo termine, i progressi tecnologici devono avere un impatto su tutti gli aspetti della progettazione dei sistemi di alimentazione. Tali progressi riguarderanno i processi di fabbricazione dei semiconduttori, lo sviluppo dell'hardware a supporto dei dispositivi di controllo di potenza e motori e l'approccio allo sviluppo dei sistemi. Gli ingegneri avranno bisogno di un supporto completo per raggiungere i loro ambiziosi obiettivi di efficienza. Le schede di valutazione li aiuteranno a definire i parametri dei dispositivi da selezionare per i loro progetti, nonché ad accelerare il processo di prototipazione. L'accesso a progetti di riferimento può rivelarsi prezioso quando gli ingegneri intendono sostituire i componenti a base di silicio attualmente in uso con alternative a banda larga (WBG) ad alte prestazioni.
Il ruolo di Toshiba nella progettazione di sistemi di alimentazione di nuova generazione:
Toshiba si è sempre posizionata come azienda pionieristica nel settore dei semiconduttori di potenza e continua a ribadire questo impegno attraverso significativi investimenti finanziari. Due esempi recenti sono l'annuncio, avvenuto questa primavera, dell'ampliamento dello stabilimento di produzione di Kaga, in Giappone, che impiega circa 1.000 persone, per ospitare una linea di produzione di wafer da 300 mm, che si affiancherà alla linea esistente da 200 mm. La nuova linea sarà dedicata alla produzione di componenti di potenza discreti avanzati.
Più recentemente, Toshiba ha confermato la creazione di un laboratorio per l'alta tensione in Europa. Situato nel campus di Düsseldorf, il laboratorio consentirà all'azienda di integrare competenze ingegneristiche locali per soddisfare i rigorosi requisiti tecnici del suo crescente portafoglio di prodotti ad alta tensione. Ciò significa che le esigenze dei clienti potranno essere affrontate in modo più rapido ed efficace da ingegneri disponibili sul posto, attraverso la simulazione e la valutazione di applicazioni reali, per superare complesse sfide tecniche e sviluppare soluzioni efficaci. Il laboratorio sarà dotato di apparecchiature avanzate per la misurazione e l'analisi della potenza e sarà gestito da ingegneri esperti. L'inizio delle operazioni è previsto per questo ottobre e l'impianto verrà ampliato nei prossimi due anni.
Innovazione di prodotto:
le ultime aggiunte di Toshiba alla sua popolare famiglia di microcontrollori (MCU) M4K, ciascuna dotata di un core ARM® Cortex®-M4 a 32 bit con un'unità a virgola mobile (FPU), migliorano le capacità di controllo dei motori. I nuovi dispositivi TXZ+ integrano la tecnologia Advanced Vector Motor Plus (A-VE+), che li rende altamente adatti al controllo orientato al campo (FOC) di motori CA e CC brushless (BLDC), nonché ai servoazionamenti.
Il MOSFET TPHR7404PU, annunciato di recente, offre una bassa capacità di picco, mitigando gli effetti di overshoot di commutazione. Questo componente di potenza discreto a canale N da 40 V utilizza la tecnologia di processo proprietaria U-MOSIX-H di Toshiba. È particolarmente adatto per la rettifica sincrona secondaria nelle applicazioni di alimentazione switching, consentendo una significativa riduzione delle emissioni di interferenze elettromagnetiche (EMI).
Figura 1: Progetto di riferimento PFC trifase di Toshiba basato sulla tecnologia MOSFET SiC TW070J120B
Il progetto di riferimento per la correzione del fattore di potenza (PFC) trifase a 400 V CA di Toshiba è stato sviluppato per facilitare l'implementazione dell'infrastruttura di ricarica dei veicoli elettrici e agevolare la transizione dai pacchi batteria a base di silicio a quelli a base d'acqua (WBG) più efficienti. È dotato delle tecnologie TW070J120B SiC MOSFET e TLP5214A di Toshiba e presenta un design trifase senza ponte raddrizzatore. Con una capacità di uscita di 750 V CC, è perfettamente compatibile con i livelli di tensione più elevati richiesti per la ricarica dei veicoli elettrici. È possibile raggiungere un'efficienza di conversione del 97% e un fattore di potenza di 0,99.
Grazie al progetto di riferimento CC/CC bidirezionale dell'azienda, è possibile implementare un sistema di alimentazione in cui l'energia immagazzinata nelle batterie può essere prelevata dalla rete durante i picchi di domanda. Utilizza inoltre i componenti TW070J120B SiC MOSFET e TLP5214A, con un MOSFET a canale N a base di silicio TK49N65W5 sul lato a bassa tensione. Questo progetto di riferimento è in grado di erogare 5 kW di potenza in entrambe le direzioni. Per garantire la sicurezza, sono inclusi meccanismi di protezione da sovracorrente e sottotensione.
Grazie alla collaborazione con il produttore di hardware di sviluppo MikroElektronika, Toshiba offre agli ingegneri una gamma di schede Click™ per aiutarli a creare sistemi di controllo motore efficienti. La scheda DC MOTOR 14 Click è una soluzione a commutazione con modulazione di larghezza di impulso (PWM) per il controllo di motori CC a spazzole con rotazione in avanti e all'indietro. Il cuore di questa scheda è il circuito integrato driver TB67H450FNG, con una corrente massima di 3,5 A. I MOSFET a bassa resistenza e il funzionamento PWM consentono un controllo efficiente del motore con una minima generazione di calore.
Figura 2: Scheda Click Mikroe DC MOTOR 14 basata sul circuito integrato driver Toshiba TB67H450FNG
Rimangono molti ostacoli da superare se vogliamo adattare il nostro consumo di elettricità alle risorse disponibili e costruire una società che abbia un impatto meno dannoso sull'ambiente. Tuttavia, grazie ai continui progressi tecnologici, possiamo essere ottimisti sulla possibilità di raggiungere questo obiettivo.
Autore: Peter Lieberwirth, Vicepresidente Marketing e Operazioni, Toshiba Electronics Europe GmbH
