Semiconduttori di potenza: il cuore dell’auto pulita del futuro

POWER ELECTRONICS –

Uno dei fattori di traino più importanti per il mercato dei semiconduttori di potenza per applicazioni automotive è dato dalla maggiore attenzione verso le problematiche ambientali.

Con una quota di mercato, a livello mondiale, stimata in 123 miliardi di euro entro il 2011 e una crescita annua media del 6,1% dal 2006 al 2011, l'elettronica per il settore automobilistico rimane uno dei principali comparti dell'industria elettronica. Secondo l'associazione tedesca Zvei, per quanto riguarda il segmento della microelettronica, il tasso di crescita previsto nello stesso periodo è dell'11,9% annuo, mentre il volume d'affari complessivo passerà da 19,1 miliardi di dollari nel 2006 a 33,5 miliardi di dollari nel 2011. Uno dei fattori di traino più importanti per questo settore è senza dubbio la maggiore attenzione verso le problematiche ambientali. Le case automobilistiche stanno compiendo una progressiva transizione verso le tecnologie “verdi”, anche a seguito delle legislazioni più severe in materia ambientale. Questo tema sta attirando un'attenzione crescente fra gli operatori del settore. Esperti di case automobilistiche e fornitori di sistemi discuteranno su questi aspetti in occasione della fiera Electronica di Monaco di Baviera; all'ultima edizione del Sae World Congress, che si tiene tutti gli anni a Detroit, l'argomento più discusso è stato quello delle tecnologie “verdi” per l'automobile, ossia in grado di ridurre le emissioni inquinanti delle auto migliorando l'efficienza nei consumi o ricorrendo a fonti di energia alternative come l'auto elettrica, il diesel pulito e le auto a fuel-cell. L'esigenza di ridurre l'impatto ambientale e di migliorare la sostenibilità e l'efficienza energetica si sta traducendo in numerose innovazioni nella fabbricazione delle automobili del futuro. Solo con il ricorso all'elettronica queste ultime possono ottenere progressi nella sicurezza e nel comfort e al contempo tenere sotto controllo le emissioni di sostanze nocive. L'applicazione più importante nel campo dell'elettronica automotive è costituita dall'abitacolo, che costituisce il 26% del volume d'affari complessivo e ha totalizzato 4,4 miliardi di dollari nel 2007. Secondo Strategy Analytics, l'elettronica per l'abitacolo è una delle applicazioni dei semiconduttori di potenza a bordo dell'auto che saranno caratterizzate dai tassi di crescita più alti, pari all'8,3% fino al 2013, anno in cui il comparto varrà 8 miliardi di dollari. Secondo Strategy Analytics, il contenuto medio di semiconduttori a bordo delle auto, che vale attualmente 290 dollari, sarà pari a 350 dollari nel 2012 e a 450 dollari entro i prossimi 8 anni. I sistemi elettronici per il controllo dei motori riguardano un mercato caratterizzato da un tasso medio di crescita del 5,7% fino al 2013, che passerà da 5 a 7 miliardi di dollari. Sono stati sviluppati negli ultimi anni nuovi standard e prodotti che rendono i motori più efficienti nell'eliminare o nel contenere l'inquinamento, e che consentono la realizzazione di auto ibride efficienti. Queste ultime hanno già fatto la propria comparsa sul mercato e costituiscono l'alternativa ecologica più promettente ai tradizionali motori a combustione, in attesa che l'auto a idrogeno diventi realtà. Con i prezzi dei combustibili in aumento vertiginoso, le vendite di auto ibride si stanno affermando, nonostante il loro costo superiore rispetto a quello dei veicoli tradizionali. Gli analisti di mercato stimano che i veicoli ibridi raggiungeranno il 3% del parco macchine mondiale entro il 2010. I modelli ibridi costituiscono una soluzione di transizione in attesa dell'introduzione sul mercato delle autovetture alimentate a fuel cell, che richiederà almeno due decenni. I veicoli a fuel cell presentano tra l'altro un'architettura molto simile a quella dei veicoli elettrici ibridi.

L'auto ibrida in cerca di un futuro

L'aumento del costo dei carburanti e l'esigenza di ridurre le emissioni nei sistemi di trasporto personali costituiscono il traino principale per il mercato dei veicoli ibridi. Esistono già alcuni modelli di auto ibrida sul mercato, come la Toyota Prius, la Ford Escape o la Honda Accord. La società di analisi Paumanok stima che entro il 2010 saranno prodotti e commercializzati oltre 3 milioni di veicoli elettrici ibridi; entro il 2015 il loro numero salirà a 8 milioni. Per la stessa data anche gran parte dei mezzi pesanti sarà di tipo ibrido: questo rappresenterà circa 1 milione di veicoli in più all'anno, per un totale di 160 miliardi di dollari. Frost & Sullivan prevede che i sottosistemi ibridi completi in commercio (che comprendono motori elettrici, elettronica di potenza, sistemi di gestione dell'energia, freni e gruppi ausiliari) passeranno da circa 40.000 unità nel 2005 a oltre 1,2 milioni di unità nel 2015. Non solo le vendite di veicoli ibridi crescono più rapidamente rispetto a quelle degli altri veicoli, ma il loro contenuto di elettronica rappresenterà il 47% del costo di base di un veicolo, rispetto al 15% di un veicolo tradizionale. Questa crescita tuttavia non riuscirà a rendere, almeno nel breve termine, le dimensioni del mercato dell'elettronica per i veicoli ibridi confrontabile in termini assoluti con quello che ruota attorno ai veicoli tradizionali.
I veicoli ibridi combinano un motore a combustione interna e un motore elettrico. Esistono diversi concetti di motore ibrido, in relazione alla funzionalità e all'intervallo di potenze operative: Micro-Hybrid, in cui il motore elettrico serve da supporto a quello tradizionale, Mild-Hybrid, in cui il motore elettrico è azionato durante l'accelerazione o la franata, e Full-Hybrid, in cui i motori elettrico e a combustione operano in parallelo in modo del tutto indipendente. Il livello di ibridizzazione ha un impatto diretto sui consumi di carburante. Gli autoveicoli di tipo Mild-hybrid e Full-hybrid prevedono la presenza di un ulteriore motore elettrico accanto a quello a combustione.
La presenza di un motore elettrico fa sì che le dimensioni del motore a combustione interna possano essere ridotte. Inoltre l'energia cinetica del veicolo può essere catturata durante la frenata e trasformata in energia elettrica per caricare la batteria. Grazie alla tecnologia di “frenata rigenerativa”, i veicoli ibridi consentono infatti di ridurre i consumi di combustibile e le relative emissioni fino al 40%.

L'elettronica per l'auto ibrida

I veicoli ibridi elettrici offrono il potenziale di ridurre notevolmente i consumi di carburante negli autoveicoli e di abbattere sensibilmente le emissioni di anidride carbonica. Essi richiedono componenti elettronici aggiuntivi, rispetto a quelli usati nei tradizionali veicoli che funzionano con motori a scoppio. Un veicolo ibrido infatti comporta un costo superiore dell'elettronica a bordo dell'auto. Pur considerando che la voce di costo più significativa è quella data dalla batteria, l'elettronica di potenza è la seconda voce di costo più importante e può rappresentare anche oltre il 20% del costo aggiuntivo di un veicolo ibrido. La diffusione dei veicoli elettrici ibridi sul mercato sta generando una maggiore domanda di moduli e di dispositivi elettronici di potenza. Progettare moduli di potenza per veicoli ibridi con caratteristiche di prestazioni ottimali costituisce una sfida ingegneristica notevole. Ciò richiede una combinazione unica di know-how sui semiconduttori di potenza, sui controlli elettronici e sui sistemi automotive. Le tecnologie attuali devono evolvere per ottenere costi più bassi, un'efficienza superiore, una maggiore affidabilità e la disponibilità di componenti e di package specifici per applicazioni automotive. Anche le dimensioni e il peso dei moduli di potenza costituiscono elementi di progetti critici per i sistemi di pilotaggio dei motori elettrici. In relazione ai requisiti particolari dei sistemi Hev (Hybrid Electric Vehicles), occorrono dispositivi in grado di tollerare temperature di giunzione superiori o che fanno uso di nuove tecnologie avanzate di packaging e di interconnessione. A parte le Cpu a 32 bit, il contenuto di semiconduttori per l'unità Icu (Inverter Converter Unit), che costituisce il cuore dei controlli elettronici dei veicoli ibridi, comprende regolatori e driver costituiti da Igbt, Mosfet di potenza a canale n e diodi di potenza. Induttori, trasformatori, filtri, condensatori e numerosi altri componenti passivi completano l'insieme di componenti di potenza usati nei veicoli ibridi. I componenti passivi, come i condensatori usati per l'auto ibrida, rappresenteranno da soli un volume d'affari di 1,7 miliardi di dollari nel 2010 e 4,6 miliardi di dollari nel 2015. Inoltre saranno usati più resistori a film metallico, induttori con nucleo di grandi dimensioni e varistori. Questi dispositivi sono usati, assieme ai convertitori DC/AC, AC/DC e DC/DC, per gestire i motori elettrici che operano in parallelo con quelli tradizionali. Il pilotaggio del motore elettrico è realizzato attraverso un inverter AC/DC, mentre un convertitore boost DC/DC aggiuntivo può essere usato per aumentare la tensione della batteria per gli intervalli di potenza più elevati. Ulteriori inverter possono esser usati per funzioni quali il condizionamento o per la pompa dell'olio. L'inverter per la trazione è il componente elettronico di potenza più importante nel veicolo. Esso deve gestire tensioni in ingresso che vanno da 42 V DC a 700 V DC e correnti in uscita comprese fra 100 A rms e 450 A rms. È anche necessario un convertitore DC/DC per portare la tensione della batteria a 12 V. Un inverter è tipicamente realizzato con sei interruttori Igbt, ciascuno con un diodo in antiparallelo. La frequenza di commutazione degli Igbt nei drive ibridi è compresa nell'intervallo fra 8 e 10 KHz. Gli switch sono integrati in moduli di potenza con caratteristiche simili a quelli usati in applicazioni industriali. Per i convertitori DC/DC possono essere usate diverse configurazioni, ad esempio delle topologie half-bridge con dispositivi attivi e componenti passivi. È possibile ottenere un comportamento DC/DC ottimizzato con un basso ripple di tensione aumentando la frequenza di commutazione fino a 100 KHz. Al di là del costo e delle prestazioni, la qualità è l'aspetto più importante nell'elettronica di potenza per veicoli ibridi. Sebbene i livelli di qualità e di durata dei vari componenti di potenza siano più o meno allineati, le condizioni ambientali e lo stress a cui sono sottoposti i componenti durante il loro funzionamento possono essere molto diverse. Come con gran parte dei componenti per automotive, i requisiti sui semiconduttori di potenza variano a seconda del punto in cui sono montati e delle condizioni di raffreddamento. Se un modulo di potenza è montato vicino a un dissipatore con flusso d'aria forzato, sarà soggetto a meno vibrazioni e cicli termici rispettosi ai sistemi raffreddati a liquidi. D'altro canto, la resistenza termica dei sistemi raffreddati a liquido è decisamente migliore rispetto a quella dei sistemi raffreddati ad aria. A causa delle perdite ridotte, i sistemi Mild Hybrid possono ancora essere raffreddati ad aria, mentre i sistemi Full Hybrid hanno bisogno di essere raffreddati a liquido per dissipare il calore.

Mosfet e Igbt per i veicoli ecologici

Le configurazioni di inverter e di convertitori usate nel progetto richiedono degli stadi di pilotaggio con caratteristiche di commutazione ottimali. Mosfet e Igbt sono i dispositivi usati più comunemente in applicazioni Hev. Entro il 2012, la domanda di Igbt al silicio per applicazioni nei veicoli elettrici e ibridi aumenterà esponenzialmente, a fronte di una crescita pressoché lineare della domanda degli stessi componenti per applicazioni industriali e nell'automazione domestica. Per quell'anno, i livelli di domanda degli Igbt per veicoli elettrici e ibridi dovrebbe eguagliare quella del settore industriale.
Per migliorare l'efficienza di un sistema di pilotaggio di un motore ibrido, è importante ridurre le perdite dei dispositivi di potenza. A causa delle caratteristiche unipolari, le perdite di commutazione di un Mosfet sono significativamente inferiori rispetto a quelle in un Igbt. Di conseguenza, le applicazioni caratterizzate da frequenze di commutazioni elevate (oltre i 100 KHz), sono in genere di dominio dei Mosfet, mentre le applicazioni con frequenze di commutazione ridotte (al di sotto di 10 KHz) sono tipicamente dominate dagli Igbt. Un dispositivo unipolare presenta anche una caratteristica di trasferimento resistiva. Per contro la caratteristica di trasferimento di un Igbt mostra una tensione di soglia di circa 0,8 V a causa della giunzione PN presente al lato posteriore dell'Igbt. Solo al di sopra di questa tensione si può osservare una caratteristica resistiva. Mentre la parte resistiva scala con la tensione di bloccaggio, la soglia è indipendente da quest'ultima. Di conseguenza, gli Igbt si prestano meno alle applicazioni a bassa tensione, rispetto ai Mosfet. Le perdite generate su silicio riscaldano il dispositivo. Per mantenere la sua temperatura al di sotto della temperatura massima di giunzione, occorre provvedere al raffreddamento. Le dimensioni dei chip, e di conseguenza i costi, potrebbero essere ridotti a fronte di caratteristiche elettriche migliori (in termini sia di perdite, sia di robustezza); come conseguenza, le rese dell'inverter aumentano con dimensioni più compatte del sistema. Sono stati ottenuti notevoli progressi in termini di prestazioni con il passaggio dalla tradizionale struttura verticale degli Igbt all'architettura Field Stop, che ha portato a una riduzione dello spessore attivo dei dispositivi. Questo aspetto è molto importante dato che le perdite di conduzione e di commutazione sono direttamente correlate allo spessore del dispositivo. Di conseguenza la disponibilità di un processo tecnologico che consente di realizzare Igbt e diodi con spessori ridotti costituisce un aspetto chiave per la realizzazione di moduli di potenza ad alte prestazioni per applicazioni automotive. Attualmente sono in produzione Igbt da 600 V e i diodi di ricircolo (freewheeling) con uno spessore di appena 70 μm. Per minimizzare i requisiti per il raffreddamento, è conveniente aumentare la massima temperatura di giunzione consentita. Con l'introduzione degli Igbt da 600 V, tale temperatura è aumentata di 25°C fino a 150°C operativi e 175°C massimi. Questo aumento di temperatura può essere usato completamente, dato che le perdite di conduzione sono pressoché indipendenti dalla temperatura e le perdite di commutazione aumentano solo leggermente con le alte temperature. Queste caratteristiche sono importanti per soddisfare i requisiti futuri dei moduli di potenza nei veicoli ibridi. I principali fornitori di Igbt e di Mosfet di potenza ad elevate prestazioni per applicazioni automotive includono Fairchild, che con i dispositivi Igbt FGB3040CS, introdotti di recente, è in grado di ridurre la dissipazione di potenza del 30% nelle applicazioni automotive; Infineon, che usa la tecnologia Igbt Trench Fieldstop all'interno dei propri moduli HybridPACK più compatti (anche del 25%) rispetto ad altri moduli di potenza che forniscono la stessa potenza in uscita “fino a 20 kW); International Rectifier, Ixys, STMicroelectronics e Vishay.
Fra le tecnologie su semiconduttore emergenti per l'elettronica di potenza a bordo dell'auto figurano anche i dispositivi al carburo di silicio. I vantaggi a livello di sistema apportati da questi ultimi negli Hev includono una considerevole riduzione nelle dimensioni, nel peso e nel costo per la dissipazione termica. I dispositivi SiC offrono diversi vantaggi rispetto al silicio, come un campo elettrico di rottura 10 volte superiore, una conducibilità termica 3 volte migliore, e la possibilità di operare a temperature superiori, anche a 200°C, per via del bandgap più elevato del materiale. Dato che il SiC presenta un bandgap superiore rispetto al silicio, esso presenta caratteristiche superiori, come una tensione di valanga più alta (da 5 a 30 volte rispetto a quella del silicio). I dispositivi al SiC inoltre sono più sottili e presentano resistenze di on più basse. I costi di realizzazione dei dispositivi al SiC stanno diminuendo progressivamente, il che ne favorirà la commercializzazione. In un primo momento si diffonderà l'uso di Igbt al Silicio in combinazione con un diodo Schottky al SiC per applicazioni nell'auto ibrida.

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