Fusibili, relè e contattori mostrano i loro limiti nei sistemi a 400 e 800 V con carichi elettronici sensibili. Un fusibile elettronico al carburo di silicio interrompe un cortocircuito in meno di un microsecondo, con corrente ed energia di passaggio di molto inferiori.
La tecnologia al carburo di silicio (SiC) avrà un ruolo determinante nelle applicazioni legate alla sostenibilità, nel percorso verso la riduzione delle emissioni e gli obiettivi net zero. Queste applicazioni diventano possibili aggiungendo elettronica di potenza ai sistemi, come negli azionamenti dei motori, oppure migliorando l'elettronica di potenza dei sistemi esistenti per raggiungere tensioni più elevate e una maggiore efficienza. Con la diffusione dei sistemi elettrici in un numero crescente di applicazioni, la protezione dei circuiti diventa essenziale. Il costo della manutenzione o della sostituzione dei componenti può essere elevato e i progettisti stanno quindi adottando metodi di protezione più robusti. I dispositivi di interruzione limitati alla protezione dei cablaggi non bastano più in presenza di carichi elettronici sensibili. Una soluzione di interruzione elettronica del circuito, come il fusibile elettronico (E-Fuse), protegge il cablaggio e limita la corrente e l'energia di passaggio (let-through) in cortocircuito verso un carico guasto, il che può evitare danni al carico stesso.
Limiti dei dispositivi tradizionali di protezione
Il fusibile tradizionale è un dispositivo monouso, da sostituire dopo la risoluzione del guasto. Per questo i fusibili vengono dimensionati per intervenire solo con correnti elevate e prolungate. In questo modo proteggono l'impianto elettrico del sistema ma non i carichi sensibili. Possono anche causare fermi a livello di sistema. I fusibili si degradano nel tempo e le loro prestazioni ne risentono in modo significativo: possono diventare più sensibili, aumentando il rischio di scatti intempestivi, oppure meno sensibili, richiedendo una corrente ancora più alta per intervenire. Nei sistemi con fusibili conta molto la progettazione orientata alla manutenibilità, trattandosi di componenti sostituibili. L'accessibilità del fusibile è essenziale dal punto di vista dell'assistenza, ma penalizza l'affidabilità del sistema nel lungo periodo. Tra il circuito protetto e il vano fusibili servono infatti il fusibile, il portafusibile e un cablaggio aggiuntivo. Il vano comprende di norma un pannello, gli elementi di fissaggio e una guarnizione per la protezione ambientale. Nei sistemi ad alta tensione si adotta comunemente un circuito di interblocco (interlock loop) che toglie tensione al sistema quando si apre il vano fusibili. Ciascuno di questi componenti aggiuntivi, necessari alla manutenzione, rappresenta un possibile punto di guasto e riduce ulteriormente la vita utile. Nei sistemi ad alta tensione, poi, un fusibile può essere sostituito solo da personale addestrato e qualificato.
Allo stesso modo, un relè o un contattore controlla l'alimentazione dei carichi. Un relè presenta una piccola caduta di tensione ai capi dei contatti anche con correnti elevate, ma si degrada quando commuta carichi capacitivi e quando interrompe correnti induttive. Per caricare i condensatori a valle fino a 20 V dalla tensione di sistema si usano spesso circuiti di precarica, composti da un relè e da una resistenza di limitazione della corrente di spunto. In questo modo si evita che i contatti del relè o del contattore si saldino alla chiusura e si assicura la bagnatura (wetting) dei contatti, che riduce al minimo l'ossidazione responsabile altrimenti di una resistenza e di una dissipazione più elevate. Nonostante ciò, i contatti si degradano comunque a ogni commutazione: è uno dei meccanismi di usura di lungo periodo che ne riducono la vita utile. Molti sistemi di distribuzione in corrente continua che usano contattori o relè con carichi capacitivi includono, all'ingresso e all'uscita, un circuito di misura della tensione ad alta precisione per garantire il rispetto della condizione sul differenziale di tensione. Quanto maggiore è l'errore di misura, tanto più alta è la differenza di potenziale ai capi dei contatti e tanto maggiore il degrado, che finisce per ridurne la durata. Quando un relè o un contattore si apre, i contatti si separano e tra il circuito di ingresso e quello di uscita si crea una distanza in aria. Questo non significa però che i due circuiti siano scollegati elettricamente. In molti casi, all'apertura del relè, la corrente continua a scorrere per un breve intervallo attraverso un arco che si forma tra i contatti, degradandoli ulteriormente.
Vantaggi a livello di sistema degli E-Fuse ad alta tensione
L'imprecisione del fusibile, il suo carattere monouso e la scarsa robustezza di relè e contattori sono alcune delle ragioni per cui i progettisti si stanno orientando verso una soluzione elettronica come l'E-Fuse. Spesso a guidare la scelta sono gli obiettivi di affidabilità. Precisione più elevata, integrazione, funzionalità, ripristinabilità e tempo di disponibilità del sistema sono tra i principali vantaggi di un E-Fuse. Il motivo principale resta però la possibilità di aumentare drasticamente l'affidabilità del sistema.
Un E-Fuse è un dispositivo di interruzione del circuito a stato solido, controllabile e configurabile. Nei sistemi a 400 V e 800 V il carburo di silicio è la tecnologia ottimale per i semiconduttori di potenza, grazie all'elevata tensione di rottura, alla bassa resistenza in conduzione e all'elevata conducibilità termica. Un fusibile elettronico può essere un interruttore a semiconduttore unidirezionale, che blocca tensione e corrente in una sola direzione, oppure bidirezionale, che le blocca in entrambe le direzioni (per esempio dalla sorgente al carico e dal carico alla sorgente).
Un E-Fuse combina le funzioni di un fusibile e di un relè elettromeccanico e può integrare funzionalità aggiuntive, come la misura della corrente di carico, che elimina la necessità di un sensore di corrente separato nel sistema.
Il tempo di risposta rapido, come quello del dimostratore E-Fuse basato su SiC di Microchip illustrato in Figura 1, limita le correnti di cortocircuito a poche centinaia di ampere.
Grazie a un circuito di rilevamento della corrente a larga banda e con le impostazioni predefinite, il dimostratore rileva un cortocircuito in meno di 700 nanosecondi ed elimina il guasto in un intervallo compreso tra 1 e 6 microsecondi, a seconda dell'induttanza del sistema. Il comportamento di intervento definito dalla curva caratteristica tempo-corrente (TCC, Time-Current Characteristic) di Figura 2 è configurabile via software o tramite bus LIN (Local Interconnect Network). La curva TCC prevede tre metodi di rilevamento: la stima della temperatura di giunzione, il campionamento della corrente tramite convertitore analogico-digitale (ADC) e un circuito di rilevamento hardware configurabile via software. Il circuito di rilevamento di Figura 3 comprende una resistenza di shunt con connessioni Kelvin per una misura di tensione precisa, un amplificatore operazionale con prodotto guadagno-banda elevato, un comparatore veloce con riferimento configurabile e latch Set-Reset (SR), che consentono di rilevare i cortocircuiti e intervenire rapidamente. Per i sovraccarichi che non richiedono una risposta immediata, il segnale di corrente viene elaborato dall'ADC e dal firmware del microcontrollore.
Il progetto prevede due modalità di funzionamento: edge-triggered e ride-through. In modalità edge-triggered, una sovracorrente oltre la soglia provoca lo spegnimento immediato. In modalità ride-through, una sovracorrente porta subito il pilotaggio del MOSFET SiC a una tensione più bassa, per prolungare il tempo di tenuta al cortocircuito. Se la sovracorrente persiste oltre una durata predefinita e configurabile, il MOSFET SiC si spegne e interrompe il circuito. Se invece la corrente scende sotto la soglia, il gate del MOSFET torna al pilotaggio pieno.
Protezione superiore dai cortocircuiti
La Figura 4 mostra la corrente let-through in una prova di cortocircuito su condensatore carico, condotta con un fusibile tradizionale da 30 A e con il dimostratore E-Fuse da 30 A. Per evidenziarne la rapidità di risposta, l'E-Fuse è stato provato in condizioni più severe, con un'induttanza di sorgente sei volte inferiore e quindi una rampa di corrente sei volte più ripida rispetto alla prova del fusibile. Anche in queste condizioni la corrente di cortocircuito ha raggiunto un picco di 216 A con l'E-Fuse, contro i 3,6 kA lasciati passare dal fusibile. Il tempo totale di eliminazione del guasto è stato di 672 ns con l'E-Fuse e di 276 µs con il fusibile tradizionale. Oltre al rapido intervento, che mantiene bassa la corrente let-through (LT) di cortocircuito, l'energia LT risulta centinaia o migliaia di volte inferiore rispetto a un fusibile tradizionale. In questa prova l'energia di passaggio è stata di 406 mJ con il fusibile elettronico, contro gli 85 J del circuito protetto dal fusibile. Una differenza di prestazioni così netta può evitare che un guasto del carico, se protetto da un E-Fuse, degeneri in un guasto grave.
Nella prova con il fusibile, la capacità del DC-link si è scaricata completamente. Con il circuito protetto dall'E-Fuse, invece, il bus DC a 450 V è sceso di appena 2 V per meno di 200 ns. È un vantaggio chiave, perché consente al sistema di continuare a funzionare senza che il guasto di un dispositivo provochi un abbassamento o un crollo della tensione sul bus DC. In molti sistemi, dove un malfunzionamento può essere pericoloso o causare fermi costosi, il fusibile elettronico offre un livello di protezione superiore.
Riassumendo i risultati delle prove, l'E-Fuse ha eliminato il cortocircuito oltre 300 volte più rapidamente, con una corrente let-through 16 volte inferiore e un'energia let-through 200 volte inferiore, mantenendo stabile il bus DC.
Un E-Fuse basato su SiC offre dunque diversi vantaggi a livello di sistema: protegge cablaggio e carico in modo più efficace delle soluzioni tradizionali e semplifica la progettazione, integrando protezione, controllo e rilevamento. La domanda di semiconduttori ad ampia banda proibita (wide bandgap) continuerà a crescere, perché l'elettrificazione generalizzata richiede tensioni più elevate, maggiore efficienza e perdite di commutazione più basse. I sistemi elettrici di queste applicazioni traggono vantaggio da una soluzione E-Fuse, che elimina i vincoli progettuali legati all'efficienza e aumenta disponibilità, affidabilità e sicurezza del sistema.
(Ehab Tarmoom è Senior Technical Staff Applications Engineer, Silicon Carbide Business Unit presso Microchip Technology)
