Il carburo di silicio renderà le auto più efficienti

L'efficienza nella conversione di energia è fondamentale per l'implementazione e l'adozione di nuove energie, incluse le applicazioni a energia solare e quelle alimentate a batteria. Al recente Developers Conference di ST, Alfredo Arno di ST ha fornito una panoramica dei componenti di elettronica di potenza che hanno confrontato silicio e nuovi materiali wide bandgap per la conversione di potenza, con particolare attenzione ai prodotti discreti in carburo di silicio (SiC) di ST e ai moduli per veicoli elettrici. In effetti, una delle aree in più rapida crescita per l'elettrificazione è nei trasporti: si stima che oltre il 20 % dell'energia mondiale sia utilizzata nei sistemi di trasporto.

Componenti SiC per veicoli ibridi ed elettrici

All'interno dei trasporti, i veicoli ibridi ed elettrici stanno rapidamente guadagnando popolarità. Uno degli aspetti distintivi di queste automobili è il numero di sistemi ad alta tensione che contengono. Una batteria ad alta tensione varia da 400 a 800 volt, con una serie di altri sistemi elettrici che alimentano questa batteria in diversi modi. Questi sistemi includono alimentatori ausiliari, convertitori DC-DC, inverter di trazione così come il sistema di gestione della batteria stesso. L'inverter di trazione alimenta il motore ed è il più critico per quanto a lungo possono funzionare i veicoli finchè non è necessario ricaricarli. Inoltre il caricabatterie di bordo ricarica la batteria: maggiore è la potenza che possiamo inserire nella batteria, più veloce sarà la carica. Gli elementi di elettronica di potenza sono importanti in ciascuno di questi sistemi non solo per le prestazioni che forniscono ma anche per l'efficienza: per un veicolo elettrico, dimensioni, peso e volume sono importanti perché si tratta di un sistema mobile ed i sistemi più efficienti sono potenzialmente più leggeri e più compatti, richiedendo un ingombro inferiore sotto il cofano.

Figura 1. I veicoli ibridi ed elettrici contengono numerosi sistemi ad alta tensione

Per soddisfare i requisiti di componenti ad alte prestazioni e ad alta efficienza per sistemi elettrici ad alta tensione, ST ha sviluppato una gamma di MOSFETs e diodi a base di carburo di silicio che sono molto utili per le applicazioni automobilistiche che richiedono alta tensione e conversione di potenza ad alta densità in un package compatto.

Il carburo di silicio ha una serie di attributi di proprietà del materiale che lo rendono un'opzione superiore per i componenti elettronici di livello automobilistico. L'energia wide bandgap del carburo di silicio è tre volte superiore a quella del silicio tradizionale e questo gap di banda più ampio consente ai dispositivi SiC di funzionare in modo più efficace ed efficiente a tensioni più elevate e temperature superiori. I dispositivi SiC presentano inoltre una velocità di saturazione elettronica doppia rispetto a quella del silicio, consentendo transizioni di commutazione più rapide. Quindi la costante dielettrica del silicio è circa il 20 % in meno rispetto al carburo di silicio e questo aiuta effettivamente a migliorare l'efficienza perché, a parità di tutto il resto, riduce la capacità parassita di quella stessa quantità.

Componenti SiC: più piccoli, più freddi e più efficienti

Una funzione del wide bandgap, l'attributo davvero significativo che rende superiore il carburo di silicio, è la sua intensità di campo elettrico critico di 3 megavolt per centimetro rispetto a 0.2 megavolt per centimetro del silicio. Ciò significa che il carburo di silicio offre una capacità di campo elettrico critico oltre 10 volte superiore rispetto al silicio tradizionale. Questo, insieme a molte altre proprietà del SiC (qui trattate), consente a ST di rendere i dispositivi a base di carburo di silicio sia più piccoli che più efficienti di quanto sia possibile con il silicio.
Il carburo di silicio fornisce inoltre una conduttività termica circa tre volte superiore rispetto al silicio, consentendo una più rapida dissipazione del calore dai componenti. Questo è importante perché quando i dispositivi a base di silicio diventano più piccoli in termini di area, diventa più difficile estrarre il calore generato dai processi di conversione elettrica e il carburo di silicio dissipa meglio il calore. Tuttavia, ci sono altre cose che i progettisti possono fare, incluso rendere il dispositivo stesso più efficiente al fine di produrre meno calore. Inoltre, a causa della maggiore conducibilità termica del carburo di silicio, è più semplice estrarre efficacemente il calore generato.

Figura 2. Le soluzioni SiC sono più piccole, più fredde e più efficienti delle soluzioni equivalenti al silicio

In sostanza, il carburo di silicio consente ai dispositivi di potenza di superare i limiti del silicio. Il carburo di silicio è più difficile da produrre e processare come il silicio tradizionale, ma le sue numerose caratteristiche favorevoli per la conversione di potenza ad alte prestazioni lo rendono un'alternativa molto utile.

 

Versione originale dell'articolo in inglese sul sito ST Microelectronics.

 

Scarica subito una copia gratis

2 Commenti

  1. FrancescoMn 24 Febbraio 2020
  2. Methos88 26 Febbraio 2020

Scrivi un commento

Seguici anche sul tuo Social Network preferito!

Send this to a friend