Gli elettrodomestici sono fra i maggiori responsabili dei consumi domestici. Secondo uno studio dell’Iea (International Energy Agency) tutti i generatori eolici nel mondo messi assieme non riuscirebbero neanche lontanamente a coprire il fabbisogno energetico di tutti gli elettrodomestici quando sono in modalità standby. Il mercato mondiale relativo agli elettrodomestici raggiungerà i 462 milioni di unità entro il 2010, registrando un tasso medio di crescita del 5% dal 2006, anno in cui il mercato ha totalizzato 379 milioni di unità. Ultimamente, sia da parte dei governi, sia da parte dei consumatori, è emersa una maggiore sensibilità verso le problematiche ambientali. I consumatori tendono a preferire elettrodomestici più efficienti in grado di ridurre significativamente la loro bolletta elettrica, oltre ad essere più rispettosi dell’ambiente. Anche le normative internazionali sull’efficienza energetica stanno diventando sempre più restrittive. Lo scorso febbraio, la Comunità Europea ha emanato risoluzioni molto severe in materia di importazione di elettrodomestici nell’area comunitaria, dichiarando per la prima volta in modo esplicito che solo gli apparecchi conformi alle normative europee possono essere introdotti sul mercato europeo, e che questo obbligo si estende anche agli importatori. Le autorità europee hanno anche sollecitato gli Stati membri ad adottare misure di controllo più severe in materia. Gli aspetti tenuti severamente sotto controllo riguardano non solo le prestazioni dal punto di vista ambientale, e quindi i consumi, ma anche la compatibilità elettromagnetica. Per far fronte a questi requisiti, i produttori di elettronica per elettrodomestici devono ottimizzare al contempo le dimensioni, le prestazioni e i consumi dei sistemi di gestione dell’alimentazione.
Gli elettrodomestici responsabili dei consumi elettrici
Nel prossimo quarto di secolo, le emissioni di CO2 corrispondenti alla domanda globale di energia elettrica aumenteranno di oltre il 50%. La situazione è destinata a diventare ancora più critica se si tiene conto che, da quanto emerge dal rapporto International Energy Outlook 2007 dall’Eia (Energy Information Administration) negli Stati Uniti, la crescita del fabbisogno energetico nelle regioni emergenti dell’Asia, con l’India e la Cina, dovrebbe più che raddoppiare nel giro dei prossimi 25 anni fino a rappresentare il 65% dell’aumento complessivo del fabbisogno energetico nei Paesi in via di sviluppo. Dell’energia prodotta complessivamente, il 23% è usata per usi residenziali e commerciali. Esiste un potenziale concreto di ridurre il fabbisogno energetico del 50 – 80%, semplicemente rendendo più efficienti gli elettrodomestici, l’impianto di condizionamento e l’illuminazione; riducendo le perdite di standby degli apparecchi elettrici e migliorando l’isolamento termico delle abitazioni. I consumi di energia elettrica, che costituiscono il 33% dei consumi energetici complessivi, dovrebbero aumentare fino al 67% del totale entro il 2040. Il consumo totale annuo di energia elettrica in Italia ammonta a 301,76 Terawatt/ora all’anno, di cui il contributo residenziale rappresenta il 29%, con 87,51 Terawatt/ora all’anno. Ciascuna dei 26 milioni di abitazioni italiane consuma 3,36 Megawattora all’anno, di cui il 15% per l’illuminazione, il 57% per la climatizzazione e l’11% per gli altri elettrodomestici.
L’elettronica di potenza rende più efficiente la distribuzione e la conversione dell’energia elettrica, oltre a consentire la generazione di energia da fonti rinnovabili (come quella eolica o solare). L’illuminazione in particolare rappresenta un terzo dei consumi di elettricità domestici; usando lampade a fluorescenza (Compact Fluorescent Lights) o, in futuro, i Led, è possibile abbattere notevolmente i consumi.
Ridurre i consumi di potenza negli elettrodomestici
Il miglioramento dell’efficienza energetica rappresenta la soluzione più efficace per far fronte alla domanda complessiva di energia. A questo proposito, gli elettrodomestici offrono un grosso potenziale per la riduzione dei consumi. L’elettronica di potenza, essendo associata alla funzione di conversione, di controllo e di condizionamento efficiente della potenza elettrica, riveste un ruolo fondamentale nel garantire l’efficienza energetica degli elettrodomestici.
Circa la metà dell’elettricità consumata per usi residenziali e commerciali è dovuta al funzionamento dei motori elettrici: si trovano ad esempio nei frigoriferi, nelle lavatrici e nei condizionatori. Usando sistemi di pilotaggio dei motori a velocità variabile basati su Igbt, è possibile ottenere risparmi energetici anche del 30-40 % anche nei condizionatori, che sono notoriamente tra i maggiori responsabili dei consumi energetici nelle abitazioni. Il controllo Vsd (Variable Speed Driving) inoltre consente di raggiungere in un terzo del tempo la temperatura desiderata e assicura il controllo senza disturbi.
Usando un controllo a inverter, che si trova nei climatizzatori di classe A, è possibile abbattere i consumi dell’80%, garantendo risparmi consistenti sia sulla bolletta energetica annua sia sull’intero ciclo di vita del climatizzatore, grazie all’elevata efficienza ed alla riduzione delle vibrazioni, che migliora l’affidabilità. Sempre l’uso dei controlli ad inverter ed i sistemi di controllo intelligente del movimento applicato agli elettrodomestici assicura un risparmio energetico del 40%, in base a una stima compiuta da STMicroelectronics.
L’illuminazione rappresenta il 15% dell’energia elettrica consumata complessivamente. Una gran parte di questo consumo è attribuibile a circa 11 miliardi di lampadine incandescenti in uso nel mondo. In queste ultime, il 90 – 95 % dell’energia è trasformata in calore, mentre solo il 5 – 10 % produce effettivamente luce. Un modo molto più efficiente per produrre luce consiste nell’usare le lampade a fluorescenza. In questo caso, dei ballast elettronici convertono e regolano l’elettricità attraverso il tubo di vetro della lampada. Questi ultimi sono costituiti da alimentatori a commutazione con un inverter/interruttore integrato ad alta frequenza. Le Cfl (Compact Fluorescent Lamp) dotate di elettronica di controllo consumano appena un quarto delle tradizionali lampadine. Una lampada Cfl da 23 Watt è quindi equivalente ad una lampada ad incandescenza da 100 Watt. In base a fonti Istat, una famiglia media composta da 4 persone consuma circa 400 kilowattora all’anno per l’illuminazione. Sostituendo il 66% delle lampade a incandescenza (in classe E) con quelle a risparmio energetico, dotate di ballast elettronici, è possibile ottenere un risparmio anche dell’80%, che si traduce, per ciascuna famiglia italiana, a circa 200 kilowattora all’anno di consumi di energia elettrica in meno. L’uso di un dimmer aggiungerebbe una riduzione dei consumi di un ulteriore 25%, migliorando l’efficienza e prolungando la durata delle lampade. Per ottenere un’efficienza superiore, gli elettrodomestici integrano un numero crescente di dispositivi su semiconduttore per il controllo e il monitoraggio dell’alimentazione. Di conseguenza, quello degli elettrodomestici rappresenta il settore applicativo più dinamico e promettente dei semiconduttori di potenza e per la gestione dell’alimentazione. Sono disponibili regolatori di tensione, modulatori Pwm (Pulse Width Modulation), Igbt (Insulated Gate Bipolar Transistor), Mosfet e diodi sotto forma sia di componenti discreti che di moduli integrati. Secondo iSuppli, le vendite di regolatori di tensione dovrebbero crescere con un tasso medio di crescita del 29,8% dal 2006 al 2010; nel frattempo le consegne di dispositivi di interfaccia dovrebbero aumentare del 18%, mentre le vendite di transistor di potenza e i diodi dovrebbero subire un incremento rispettivamente del 12,1% e del 6,1%. Si prevede che entro il 2010 l’80% dell’energia elettrica sarà controllata da dispositivi elettronici di potenza.
Dispositivi di potenza per applicazioni consumer
Fairchild ha introdotto di recente una nuova serie di Igbt Field Stop Trench da 1200V, composta dai modelli FGA20N120FTD e FGA15N120FTD, ottimizzati per applicazioni come le cucine a induzione. Attraverso la combinazione di uno strato aggiuntivo drogato, noto come Field Stop, con la tecnologia trench, i nuovi Igbt combinano i vantaggi delle tecnologie Punch Through e Non Punch Through, ed offrono un compromesso ottimale tra perdite di conduzione e commutazione, massimizzando l’efficienza. Grazie a questa struttura, gli Igbt Fairchild FGA20N120FTD e FGA15N120FTD presentano perdite di commutazione ridotte, che aumentano l’efficienza del sistema. Hanno una tensione di saturazione inferiore, il che riduce a sua volta le perdite di conduzione. Inoltre le variazioni nelle prestazioni e l’incidenza di malfunzionamenti operativi risultano minimizzati, dato che la distribuzione dei parametri dei dispositivi è stata limitata grazie alla limitata distribuzione dei parametri ed alla maggiore energia legata all’effetto valanga. Queste migliori caratteristiche di immunità all’effetto valanga, consentono anche di estendere la vita operativa dei dispositivi. Rispetto agli Igbt NPT-Trench convenzionali, i dispositivi FGA20N120FTD presentano infatti perdite di conduzione inferiori del 25% e perdite di commutazione più basse dell'8%, con un sostanziale abbassamento della temperatura operativa del sistema. Questo riduce i requisiti di sistemi di raffreddamento, migliorando l’affidabilità di sistema e riducendo i costi complessivi. La presenza di un FRD (Fast-Recovery Diode) integrato, ottimizzato per la tecnologia Zero Voltage Switching (ZVS) consente di migliorare ulteriormente l’affidabilità del sistema, riducendo al contempo il numero di componenti necessari per il progetto.
Infineon ha sviluppato una serie di tecnologie di potenza per migliorare l’efficienza negli elettrodomestici, che comprendono i dispositivi CoolMOS, CoolSET, EiceDRIVER ed i moduli CiPoS. La famiglia di Mosfet di potenza CoolMOS consente una riduzione significativa delle perdite di conduzione e di commutazione negli alimentatori a commutazione. La nuova generazione di Mosfet di potenza ad alta tensione rende gli alimentatori più compatti, più leggeri e più efficienti, riducendo la produzione di calore. Questo è ottenuto minimizzando la resistenza di on, pari ad appena 45 milliohm in un package standard, aumentando la velocità di commutazione ed ottimizzando i requisiti di carica di gate. Le perdite di conduzione inferiori consentono di usare package più piccoli e di evitare l’uso di dissipatori. Le perdite di commutazione ridotte consentono anche di contenere le emissioni elettromagnetiche. La minore resistenza di on migliora l’efficienza dell’alimentatore, fino anche del 20%, in relazione al tipo di alimentatore in uso. I dispositivi CoolSET integrano l’elettronica di controllo e i transistori CoolMOS in un unico package. EiceDRIVER 6ED003L06-F è un driver full bridge che controlla dispositivi di potenza come Igbt o Mosfet in un sistema trifase, con una tensione di blocco fino anche a 600 V. I dispositivi sono realizzati in tecnologia Soi (Silicon On Insulator) e sono molto resistenti ai transitori di tensione negativi. Rispetto ai tradizionali circuiti di pilotaggio monolitici, i dispositivi EiceDRIVER non sono dotati di tiristore parassita. I moduli CiPoS integrano diversi componenti di controllo e di potenza in un unico package, aumentando l’affidabilità del progetto ed ottimizzando le dimensioni del Pcb e il costo a livello di sistema. Questo semplifica il progetto dell’alimentazione e riduce significativamente il time-to-market, migliorando l’affidabilità del sistema e riducendo le dimensioni del Pcb. Questa soluzione è particolarmente adatta per i sistemi di pilotaggio a velocità variabile dei motori AC di condizionatori, compressori ed aspirapolveri.
International Rectifier offre una vasta gamma di Igbt realizzati nella tecnologia proprietaria Dst (Depletion Stop Trench), che combina i vantaggi della tecnologia trench con quelli legati alla presenta di una zona di svuotamento (depletion layer), il quale migliora le prestazioni in termini di perdite di commutazione rispetto agli Igbt punch-through, e le prestazioni in termini di perdite di conduzione rispetto agli Igbt di tipo non punch through, dato che sono caratterizzati da una tensione di saturazione tra collettore ed emettitore VCE(on) inferiore. Gli Igbt realizzati da International Rectifier sono disponibili in una varietà di configurazioni, sia discrete, sia in moduli integrati. Questi Igbt si prestano idealmente per le applicazioni negli elettrodomestici, e in particolare per lavatrici, frigoriferi e condizionatori.
STMicroelectronics ha sviluppato una nuova generazione di Mosfet di potenza basati sulla tecnologia MDmesh II, che consente di ottenere una riduzione dei consumi pari ad oltre l’80 % rispetto alle soluzioni tradizionali. La tecnologia MDMesh II combina la struttura verticale Multiple Drain Mesh con la struttura verticale Mesh Overlay. Questa struttura migliora l’efficienza minimizzando le perdite di conduzione e di commutazione, come pure l’occupazione di spazio. Inoltre, la struttura verticale Multiple Drain Mesh consente di ridurre considerevolmente la RDS(on) dei transistor rispetto ai dispositivi di generazione prevedente. Al contempo, è mantenuto uno stretto controllo della dipendenza dalla temperatura. La struttura Mesh Overlay garantisce un controllo perfetto della resistenza di gate interna e delle capacità ottenendo uno spessore ottimizzato dell’ossido di gate. Il miglioramento dell’efficienza del dispositivo è ottenuto infatti combinando la riduzione delle perdite nello stato di on, legate alla resistenza di on, con la riduzione delle perdite di commutazione, che dipendono dalla resistenza di gate interna e dalle capacità intrinseche. Il migliore controllo della resistenza di gate consente di ridurre i ritardi nella risposta del dispositivo e quindi consente di aumentare la frequenza di commutazione negli alimentatori. Il controllo delle capacità intrinseche tra gate e canale, è possibile ridurre il tempo di attraversamento (crossover) e la carica di gate, migliorando di conseguenza l’efficienza degli alimentatori. I MDmesh Power Mosfet di seconda generazione di STMicroelectronics inoltre consentono di supportare una corrente superiore a fronte di una VGS inferiore per pilotare il dispositivo. Questo migliora tra l’altro l’immunità al rumore. La loro RDS(on) inferiore consente inoltre di usare package più piccoli, migliorando l’occupazione di spazio su scheda e riducendo la necessità di dissipatori e di componenti magnetici di grandi dimensioni. Ciò a sua volta migliora ulteriormente l’affidabilità del sistema e ne riduce i costi. Tali caratteristiche rendono questi dispositivi ideali per gli elettrodomestici, i dimmer, i ballast elettronici ad alta frequenza.
