Il carburo di silicio entra in auto

Risorse limitate e tutela dell’ambiente sono temi dominanti nel dibattito pubblico. Le varie posizioni convergono sul fatto che l’uso efficiente dell’energia è una delle sfide più urgenti per il futuro. Dalle costruzioni al trasporto di passeggeri e merci, in tutti i settori della vita quotidiana stiamo assistendo a cambiamenti significativi. Uno dei temi più caldi è la mobilità elettrica. Case automobilistiche, imprese industriali e istituti di ricerca stanno collaborando allo sviluppo della mobilità elettrica e delle infrastrutture necessarie. Le prospettive per i veicoli elettrici sono migliorate notevolmente negli ultimi anni. Negli ultimi tempi varie aziende si sono impegnate nello sviluppo e nel collaudato di nuovi concetti di propulsione che hanno permesso di portare sul mercato i primi modelli di veicoli ibridi ed elettrici. In questi veicoli sono presenti nuovi componenti e sistemi basati su elettronica di potenza che non trovano corrispondenza nei mezzi alimentati a gasolio/benzina. Esempi di tali sistemi sono: i convertitori di frequenza per alimentare il propulsore (fino a 300 kW); i carica batterie (on-board) da 3,6 a 22 kW; i caricatori a induzione (ricarica wireless) da 3,6 a 22 kW; i convertitori Dc/Dc fino a 5 kW; gli inverter per carichi ausiliari quali aria condizionata, servosterzo, pompa dell’acqua.

SiC, un materiale ad alta efficienza

I requisiti degli Oem del settore automobilistico, per quanto concerne i sistemi elettronici di potenza, impongono agli sviluppatori grandi sfide. In tal senso, ingombro, peso ed efficienza giocano un ruolo importante. Oltre a mantenere i costi di sistema e pesi ridotti, questi prodotti dovrebbero garantire contemporaneamente elevati livelli di qualità e affidabilità. Nell’elettronica di potenza convenzionale l’efficienza fa affidamento sulla tecnologia dei semiconduttori, e tipicamente varia tra l’85 e il 95%. Ciò significa che circa il 10% dell’energia elettrica fornita viene dispersa durante la conversione sotto forma di calore. In generale si può affermare che l’efficienza dell’elettronica di potenza è limitata principalmente dalle caratteristiche prestazionali dei semiconduttori. Grazie alle sue proprietà fisiche, il materiale semiconduttore SiC ha un grande potenziale per soddisfare le esigenze alla base di queste tendenze di mercato. Rispetto ai semiconduttori in silicio, l’intensità del campo elettrico dei SiC è quasi dieci volte superiore (2,8MV/cm contro 0,3MV/cm). La superiore intensità del campo elettrico del substrato SiC ad alta durezza, permette l’impiego di strutture di base più sottili. Ciò permette di arrivare a un decimo dello spessore rispetto agli strati epitassiali in silicio. Inoltre, a parità di tensione dei vari blocchi, le concentrazioni di drogaggio dei SiC possono raggiungere ordini di grandezza due volte superiori rispetto a quelle dei loro omologhi in silicio. Pertanto, la resistenza superficiale del componente è ridotta, contenendo notevolmente le perdite di conduzione. Nei sistemi elettronici di potenza il design termico gioca un ruolo cruciale al fine di garantire elevata densità energetica e, di conseguenza mantenere compatti i circuiti. In queste applicazioni il SiC è un materiale semiconduttore ideale perché la sua conducibilità termica è quasi tre volte superiore rispetto ai semiconduttori in silicio. Inoltre, il SiC può gestire temperature di esercizio più elevate rispetto ai semiconduttori in silicio.

Dissipazione di potenza

Durante il funzionamento, nei sistemi elettronici di potenza si manifesta una dissipazione causata dal flusso di corrente e dalla commutazione degli elementi semiconduttori. La potenza totale dissipata nei sistemi elettronici è costituita da perdite statiche e perdite dinamiche. Le perdite statiche si verificano principalmente durante lo stato di conduzione del dispositivo di potenza. Le perdite dinamiche sono dovute alla commutazione del semiconduttore. Più alta è la frequenza di commutazione durante il funzionamento, maggiori sono le perdite dinamiche. La frequenza di commutazione nei sistemi elettronici di potenza è spesso definita dall’applicazione e dai limiti del sistema. Ad esempio, la frequenza di commutazione di un azionamento elettrico è determinata dalla frequenza di uscita richiesta dal motore. Inoltre, per determinare la frequenza di commutazione utilizzata giocano un ruolo importante altri fattori, come le caratteristiche di risonanza dell’intero sistema, la compatibilità elettromagnetica e i requisiti di gestione termica. Oltre che nel semiconduttore le perdite di potenza si verificano anche nei componenti passivi circostanti, quali trasformatori, induttori e condensatori del bus Dc. L’interazione tra semiconduttori e componenti passivi come induttori e trasformatori determina la densità di potenza nel sistema nel suo complesso. Pertanto, nella progettazione dei sistemi elettronici di potenza devono essere considerate le proprietà fisiche di entrambi i componenti: passivi e semiconduttori. Dalle perdite statiche, di commutazione e dei componenti passivi, deriva la perdita di potenza totale del sistema, che a sua volta viene convertita in calore. Per garantire l’affidabilità dei componenti utilizzati, nonché del sistema, il calore deve essere dissipato da un elemento di raffreddamento adeguato. Fondamentalmente, le perdite di commutazione sono causate da una singola operazione di transizione, per esempio l’attivazione o la disattivazione del semiconduttore. Aumentando la frequenza di commutazione aumentano anche le perdite di commutazione totali, che, a loro volta influiscono notevolmente sulla dissipazione di potenza complessiva. Per soddisfare i requisiti e le specifiche di sistema, in alcuni circuiti elettronici di potenza del veicolo è necessario utilizzare una frequenza di commutazione elevata. Qui, le perdite di commutazione sono responsabili della maggior parte della dissipazione totale del sistema. Quando nelle applicazioni con frequenza di commutazione elevata vengono utilizzati semiconduttori in silicio, l’elevata dissipazione di potenza, e il conseguente calore generato, costringono il progettista a limitare la corrente di carico per garantire la funzionalità e l’affidabilità del sistema. Ciò significa, in altre parole, che una frequenza di commutazione elevata può mettere a disposizione meno potenza. Qualora in queste applicazioni non fosse possibile rinunciare a correnti di carico elevate, il volume complessivo del sistema deve essere aumentato. In tali condizioni questa soluzione sarebbe inevitabile, ma non permetterebbe di soddisfare le aspettative degli utenti finali. In questo senso è possibile affermare che i semiconduttori in silicio hanno quasi raggiunto i loro limiti.

Commutazione migliorata

Confrontando un Mosfet SiC e un Igbt in silicio per applicazioni ad elevata frequenza di commutazione, si è constatato che le perdite di commutazione elevate e il calore generato dall’Igbt comportano l’erogazione di correnti di uscita più basse. Questo è l’unico modo per evitare il superamento dei limiti di temperatura del chip, mettendo a rischio le funzionalità del semiconduttore. Con un SiC, il quadro è diverso. Le caratteristiche di commutazione dei semiconduttori SiC sono migliori rispetto a quelle degli Igbt in silicio, pertanto le perdite frequenze elevate sono inferiori. Di conseguenza, è possibile gestire correnti di carico più elevate, con frequenze di commutazione superiori a quelle degli Igbt in silicio. La Fig. 1 mostra il confronto tra un modulo a semiponte in SiC di Rohm Semiconductor, il BSM300D12P2E001, e quattro differenti moduli Igbt concorrenti. Da questa immagine si evince che ad alta frequenza di commutazione il Mosfet SiC è più efficiente dell’Igbt in silicio. Quando si utilizza un modulo Igbt da 300 A a una frequenza di commutazione di 40 kHz è possibile ottenere una corrente di carico non superiore a 80 Arms. Al contrario, utilizzando un modulo SiC 300 A di Rohm è possibile ottenere una corrente di carico di 200 Arms. Ciò corrisponde a un incremento del 120% rispetto all’Igbt in silicio. Al fine di sviluppare sistemi elettronici di potenza più compatti, i progettisti devono ricorrere a un raffreddamento ottimale. Per far fronte a tali sfide negli ultimi decenni sono stati introdotti sul mercato nuovi approcci di raffreddamento. Questi concetti sono in genere costosi e talvolta introducono alcuni problemi a livello applicativo. Ciò riguarda non solo la fase di sviluppo, ma anche quella di gestione del sistema durante la fase di produzione, nonché durante l’esercizio. Utilizzando un materiale efficace come il SiC, è possibile ricorrere a sistemi di raffreddamento meno complessi.

Miniaturizzazione della potenza

Considerando gli scenari applicativi di un veicolo elettrico, i costruttori di automobili impongono ai sistemi elettronici di potenza diversi requisiti. Questi includono alta resistenza a variazioni di temperatura e vibrazioni, affidabilità operativa su ampi intervalli di temperatura e durata superiore. Oltre questo, le case automobilistiche danno ormai per scontata l’elevata densità di potenza dei sistemi integrati. Tutti questi requisiti impongono all’elettronica di potenza sfide importanti. Le nuove batterie ad alta tensione rappresentano uno dei maggiori ostacoli per la diffusione dei veicoli ibridi ed elettrici. Per convincere gli utenti a convertirsi alla mobilità elettrica, diverse case automobilistiche fanno affidamento su sistemi con tempi di ricarica più veloci. Benché semplifichi l’uso delle auto elettriche, la ricarica veloce della batteria comporta l’erogazione di una corrente maggiore in un tempo più breve. Poiché lo spazio disponibile all’interno del veicolo è sempre limitato, il sistema di carica deve avere obbligatoriamente una densità di potenza elevata. Solo in questo modo tali sistemi possono essere integrati nel veicolo per soddisfare le esigenze di mercato. I carica batterie on-board sono sistemi complessi, che contengono vari componenti di conversione della potenza. In tali sistemi, sono integrati numerosi elementi, come diodi e Mosfet, induttori, condensatori e trasformatori a rapporto ottimizzato, indispensabili per caricare la batteria con la tensione necessaria. Inoltre, il trasformatore viene utilizzato per disaccoppiare galvanicamente la batteria dalla rete ad alta tensione. Uno dei modi per miniaturizzare l’elettronica di potenza, è ricorrere a componenti passivi di dimensioni compatte. Ciò è possibile se i semiconduttori utilizzati possono essere controllati nello stesso circuito con un’alta frequenza di commutazione. In caso di semiconduttori in silicio, il carico termico limiterà questo approccio ad alta frequenza di commutazione. Grazie al loro eccellente comportamento di commutazione, i Mosfet SiC offrono una soluzione ideale per questo tipo di applicazioni. La Fig. 2 illustra un esempio. In un sistema di conversione Dc/Dc con semiconduttori in silicio la frequenza di commutazione è limitata a 25 kHz. Se viene utilizzato un Mosfet SiC, è possibile raggiungere una frequenza di commutazione di 160 kHz. Ciò permette di migliorare notevolmente le caratteristiche di miniaturizzare di tutto il sistema e la qualità dell’avvolgimento. Questo consente anche di raggiungere una densità di potenza elevata riducendo nel contempo il peso complessivo. I vantaggi dei semiconduttori SiC sono ormai riconosciuti e apprezzati dai costruttori di automobili. I primi diodi SiC di Rohm vengono utilizzati nella produzione di massa di carica batterie on-board utilizzati in diversi veicoli. Rohm offrirà presto il primo Mosfet SiC qualificato automotive a livello mondiale. la tecnologia SiC offre un grande potenziale anche in applicazioni quali convertitori Dc/Dc e convertitore per trazione. Rohm offre soluzioni concrete per tutte queste applicazioni. La seconda generazione di SBD SiC offerta da Rohm comprende attualmente prodotti per applicazioni a 650 V da 5 a 100 A e a 1200 V e 1700 V con correnti nominali fino a 50 A. La proposta di Mosfet SiC Rohm è ancora più ampia. Qui Rohm presenta due diverse tecnologie: tecnologia planare e tecnologia a doppia trincea. La tecnologia planare prevede già moduli e prodotti discreti con tensioni di 650, 1200 e 1700 V e con correnti nominali fino a 300 A. Rohm ha iniziato la produzione di massa della terza generazione di Mos SiC declinati su componenti discreti e moduli completi basati su una tecnologia proprietaria a doppia trincea, che estende la famiglia di prodotti Mosfet esistente, contribuendo allo sviluppo di un’elettronica di potenza altamente efficiente ed affidabile.

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