Piattaforme di potenza per veicoli ibridi

MOBILITA' ELETTRICA –

Una piattaforma su silicio per la gestione della potenza può aiutare ad affrontare le problematiche derivanti dell’adozione della trazione elettrica in ambito automobilistico. Ma solo a patto che possieda determinati requisiti.

Mentre nelle normali auto con motore a combustione interna è relativamente facile soddisfare i requisiti delle apparecchiature elettriche ausiliarie mediante una batteria da 12 V e il relativo alternatore di ricarica a 12 V/14 V, nei veicoli ibridi elettrici le potenze in gioco nel sistema elettrico sono di livello ben superiore. Il maggior consumatore di energia in qualunque tipo di veicolo elettrico o ibrido è il motore elettrico di trazione, che deve garantire la propulsione del mezzo, per lo meno per alcuni periodi di tempo, senza alcun aiuto da parte del motore a combustione interna. Per alimentare motori elettrici di questo tipo, tipicamente con potenze nominali dell'ordine di diverse decine di kW fino a un centinaio di chilowatt, senza dissipare una parte significativa di preziosa energia nelle connessioni resistive, si utilizzano collegamenti che supportano elevate intensità di corrente a tensioni molto più elevate, dell'ordine di 600 V/1200 V. Anche a questi elevati livelli di tensione, le correnti in gioco sono comunque nell'ordine delle centinaia di ampere. L'introduzione di reti di alimentazione ad alta tensione impone all'industria automobilistica l'implementazione di due nuove applicazioni ad alta potenza: un inverter Dc-Ac che converta la corrente continua nella corrente alternata necessaria a pilotare il motore e un convertitore Dc-Dc che permetta di scambiare potenza tra la rete ad alta tensione e la rete di alimentazione a 12 V, la cui presenza è ancora necessaria nei veicoli ibridi, in quanto la maggior parte dei sistemi elettronici standard per il settore automobilistico è progettata per essere alimentata a 12 V. Come già evidenziato, sia l'inverter che il convertitore devono poter gestire diversi chilowatt di potenza e necessitano pertanto di circuiti elettronici estremamente compatti ed efficienti che sfruttino dispositivi a semiconduttore ottimizzati e tecniche di packaging avanzate.

Per poter affrontare queste nuove applicazioni elettroniche ad alta potenza, le piattaforme su silicio devono soddisfare alcuni fondamentali requisiti:
• elevato rendimento delle applicazioni;
• elevata capacità di trasporto di corrente, misurabile in alcune centinaia di ampere e fino a 300 A con tensioni tipiche di 600 e 1200 V;
• migliori prestazioni meccaniche ed elettriche, per sopportare il difficile ambiente operativo tipico di un veicolo e allo stesso tempo garantire la sicurezza e le protezioni necessarie nei progetti a prova di guasto;
• bassa induttanza parassita e basse interferenze elettromagnetiche, in quanto la commutazione di correnti e tensioni di livello elevato causa l'insorgere di campi elettromagnetici di grande intensità che possono indurre o irradiare rumore, interferenza elettromagnetica, picchi di tensioni e altri fenomeni di disturbo dannosi per le altre apparecchiature elettroniche esistenti.

La piattaforma ideale
Per soddisfare tali requisiti una piattaforma deve possedere cinque elementi distintivi fondamentali.

1 - Igbt ad alta tensione efficienti - Questo tipo di interruttore di potenza è necessario per commutare efficientemente correnti di diverse centinaia di ampere a tensione nella gamma 600-1200 V. Essendo più efficienti dei Mosfet ad alta tensione, i migliori Igbt con struttura trench possono garantire una bassissima resistenza di conduzione con densità di corrente elevate. Se si usano con connessioni cablate di tipo standard (wirebond), però, le prestazioni possono essere notevolmente limitate da questa tecnologia di assemblaggio tradizionale. Per tale ragione, IR utilizza invece un particolare processo con facce metalliche saldabili, che permette di saldare i nostri Igbt sui due lati eliminando completamente le connessioni a filo negli inverter o nei moduli dei convertitori. Questa soluzione risolve due o più delle problematiche citate in precedenza: l'affidabilità e la robustezza delle connessioni senza filo è molto più elevata in quanto si elimina la frequente causa di guasto dovuta al distacco del filo stesso (bondwire lift-off), lasciando solamente la progressiva usura della saldatura come meccanismo di guasto potenziale, peraltro su una scala dei tempi e delle sollecitazioni ben più ampia. I produttori di moduli che utilizzano questa tecnologia possono sfruttare dispositivi più piccoli che possono scaldarsi di più e sottostare a maggiori variazioni di temperatura rispetto a quelle tollerate dalle migliori soluzioni con connessioni a filo esistenti. Oltre a garantire una maggiore robustezza, i dispositivi con facce metalliche saldabili riducono anche un altro problema, quello dell'induttanza parassita e dei corrispondenti fenomeni oscillatori che possono introdurre rumore e interferenze elettromagnetiche in corrispondenza delle commutazioni a corrente elevata. Con i collegamenti saldati sui due lati, l'induttanza viene minimizzata o scompare del tutto. I dispositivi senza connessioni a filo di International Rectifier hanno dimostrato di lavorare meglio in condizioni di commutazione rispetto a qualunque dispositivo con collegamenti a filo o contenitore plastico standard.

2 - Packaging avanzato -  Si tratta di un altro elemento fondamentale per ottenere una piattaforma di gestione della potenza efficiente. IR ha introdotto tecnologie di packaging molto avanzate per il mercato automobilistico. La capacità di inserire una faccia metallizzata saldabile sugli interruttori in silicio (Mosfet, Igbt) permette di sfruttare dei contenitori di potenza di tipo chipscale senza fili di collegamento in tutti gli interruttori di potenza. I contenitori detti Direct-Package offrono migliori prestazioni di commutazione, induttanza parassita praticamente nulla, maggiore affidabilità meccanica e robustezza grazie all'eliminazione dei fili di collegamento con la possibilità di raffreddare il silicio da entrambi i lati, il che sarebbe impossibile usando delle connessioni a filo su di un lato. Questi contenitori risolvono le problematiche menzionate precedentemente e offrono ai clienti nuove possibilità di progetto per realizzare le unità di controllo e i moduli di potenza.

3 - Dispositivi a commutazione rapida  - Anche questi dispositivi sono un importante elemento per le applicazioni nei veicoli ibridi elettrici. Mentre gli inverter per il pilotaggio dei motori hanno tipicamente una frequenza di commutazione moderata, intorno a 6-10 kHz, il convertitore Dc-Dc o gli altri dispositivi per ricaricare la batteria tendono a utilizzare frequenze molto più elevate, dell'ordine di 100-200 kHz, per migliorare il rendimento energetico dei convertitori buck/boost e per ridurre le dimensioni dei componenti passivi necessari in quei sistemi. Sfortunatamente, per ragioni fisiche legate alla loro struttura bipolare, gli Igbt possono essere ottimizzati per lavorare bene con frequenze di commutazione intorno a 10 kHz, ma per frequenze ben più elevate e superiori a 100 kHz è preferibile utilizzare degli speciali Mosfet, i cosiddetti CoolMos o dispositivi a supergiunzione (Superjunction Device). Questi dispositivi hanno però lo svantaggio di essere molto costosi e non particolarmente robusti. Il catalogo di prodotti International Rectifier dedicati al settore automobilistico offre delle soluzioni alternative per affrontare questi problemi a un costo più basso e con eccellenti prestazioni di commutazione. I DirectFet per il settore automobilistico di IR offrono prestazioni di riferimento per le applicazioni di commutazione rapida fino a 250 V. Le applicazioni a tensione più elevata possono essere affrontate con i particolari Igbt veloci Warp di IR, che offrono frequenze di commutazione elevate ad un rapporto prezzo/prestazioni molto migliore di quello dei tipici dispositivi a supergiunzione ad alta tensione. I nostri più recenti Igbt veloci Warp per settore automobilistico possono funzionare con frequenze di commutazione superiori alla soglia di 100 kHz e rappresentano quindi una perfetta soluzione per i convertitori Dc-Dc ad alta potenza dei veicoli ibridi elettrici.

4 - Mosfet robusti - I Mosfet che sopportano bene l'effetto avalanche costituiscono un altro importante tassello di una piattaforma al silicio dedicata ai veicoli ibridi elettrici. Le applicazioni di commutazione più impegnative richiedono spesso la commutazione ripetitiva del Mosfet che entra in condizioni di valanga quando la tensione di breakdown viene fondamentalmente superata e i portatori di carica accelerati rapidamente fluiscono verso l'area della giunzione p-n del Mosfet. Questi “portatori caldi” fortemente accelerati normalmente provocano un danneggiamento graduale dell'ossido di gate. Dopo un certo tempo e un certo numero di eventi di valanga, il Mosfet subisce danni irreversibili. La tensione di soglia si modifica e le correnti di perdita crescono gradualmente o talvolta si rompe l'ossido di gate. I Mosfet di IR sono realizzati con processi particolari che li rendono particolarmente robusti e resistenti ai fenomeni ripetitivi di valanga durante la commutazione e hanno dimostrato le loro prestazioni e robustezza superiori nelle più difficili operazioni di commutazione di carichi induttivi, come i motori elettrici. Insieme ai nostri contenitori Direct senza connessioni a filo, questi dispositivi garantiscono prestazioni di commutazione di riferimento con un'eccellente robustezza del silicio.

5 - Circuiti integrati di pilotaggio -  Ultimo fattore, ma non per questo meno importante, è la disponibilità di circuiti integrati robusti di controllo per pilotare i dispositivi di potenza. Per aiutare i progettisti di sistemi nello sviluppo di uno stadio di potenza con il corretto circuito integrato di controllo, IR offre un catalogo molto completo di circuiti integrati di pilotaggio per applicazioni automobilistiche che si adattano a una vasta gamma di topologie circuitali utilizzate per realizzare i migliori inverter, convertitori e alimentatori. I nostri particolari circuiti integrati per il pilotaggio di gate a bassa e alta tensione offrono una robustezza e un'immunità ai fenomeni di latch up di classe superiore. Nella gamma di tensione inferiore a 75 V IR offre circuiti integrati di potenza intelligenti capaci di gestire correnti di intensità molto maggiore, per esempio, dei migliori circuiti integrati misti analogico/digitali realizzati con processi Bcd. Nella gamma 100- 1200 V IR offre una vasta selezione di circuiti integrati di pilotaggio ad alta tensione con la miglior caratteristica Ntsoa (Negative Transient voltage spike Safe Operating Area) sul mercato. La causa principale di guasto dei circuiti integrati di pilotaggio è dovuta all'insorgere di fenomeni di latch-up causati da elevati picchi di tensione negativa durante la commutazione del mezzo ponte in presenza di elevate correnti e carichi induttivi. I circuiti integrati di pilotaggio per applicazioni automobilistiche di International Rectifier sono progettati per garantire la migliore robustezza e immunità ai fenomeni di latch-up e rappresentano la scelta ideale per il pilotaggio di grandi Igbt con elevate intensità di corrente. Per il pilotaggio di correnti di gate elevate IR propone particolari circuiti integrati buffer capaci di erogare fino a 10 A.

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