Il numero di veicoli elettrici e ibridi è in aumento in tutto il mondo. Dai 500.000 veicoli elettrici consegnati nel 2016 si passerà alla consegna annuale di 65 milioni di unità a livello globale entro il 2040. L'energia consumata da questi veicoli salirà di conseguenza da 6 TWh a 1.800 TWh, che rappresenta il 5% dell’attuale produzione globale di energia e ciò sta portando i progetti verso una maggiore efficienza nell'uso dell’energia. L’aumento dell'efficienza anche solo di uno o due punti percentuali può far risparmiare TW di potenza in tutto il mondo.
Introduzione
I MOSFET e gli IGBT al silicio sono fabbricati in modo economico ed assicurano il funzionamento da 200 A a 900 A e da 400 V a 1200 V. Tuttavia, questi dispositivi presentano unicamente una banda proibita di 1,1 eV, la quale limita la tensione di rottura che essi sono in grado di sopportare. Le innovazioni riguardanti i gate driver multifase che forniscono da 6 fino ad anche 9 fasi per i componenti IGBT al silicio contribuiscono ad incrementare l'efficienza degli attuali caricabatterie, ma al contempo stanno emergendo altre tecnologie che utilizzano semiconduttori con bandgap più ampio. Queste ultime offrono bandgap da 2 eV fino a 7 eV e sono in grado di funzionare a tensioni significativamente superiori, assicurando una ricarica più veloce e un’autonomia più lunga per i veicoli elettrici.
Carburo di silicio
Una di queste tecnologie ad ampio bandgap è il carburo di silicio (SiC), in cui i dispositivi presentano una banda proibita di circa 3 eV. Questo offre un campo di rottura che è cinque volte maggiore rispetto a quello del silicio e una conducibilità termica oltre tre volte superiore. Ciò significa che i dispositivi al SiC possono sopportare condizioni operative molto più severe (con tensioni e temperature molto più elevate), oltre a fornire livelli di prestazioni migliorati rispetto ai componenti al silicio di dimensioni simili.
I dispositivi al SiC sono utilizzati nelle stazioni di ricarica dei veicoli elettrici e consentono a queste ultime di avere una frazione delle dimensioni a parità potenza di ricarica. Tuttavia, essi spesso necessitano di nuovi chip driver per mantenere un controllo più stretto, il che in genere significa che un sistema che utilizzava in precedenza il silicio deve essere completamente riprogettato per sfruttare i vantaggi della tecnologia SiC. Questo ha portato ad un uso crescente di moduli che combinano più dispositivi di potenza con i driver. Ciò riduce gli sforzi necessari di riprogettazione per incrementare le prestazioni di un sistema, dato che i moduli compatibili nei pin con le nuove tecnologie possono talvolta essere semplicemente sostituiti, fornendo un incremento in termini di efficienza.
Dispositivi sostitutivi al SiC
Attualmente sono anche presenti dispositivi al SiC che possono essere realizzati a partire da un progetto tradizionale al silicio con i driver esistenti e forniscono correnti più elevate e una maggiore efficienza. Un esempio di ciò è il JFET al SiC normalmente on che è alloggiato nello stesso package di un MOSFET dedicato al silicio a bassa tensione in un dispositivo sempre off che emula un MOSFET standard. La carica di recupero (Qrr) è circa tre volte inferiore a quella di un MOSFET al silicio, il che aumenta di conseguenza le prestazioni.
Questa soluzione trova impiego innanzitutto nei caricabatterie su scheda che operano nell’intervallo compreso fra 3 kW e 10 kW, ma anche nei sistemi di trazione che stanno sostituendo gli IGBT. I progettisti possono eliminare il MOSFET o l’IGBT e ottenere istantaneamente un’efficienza superiore lungo l'intero intervallo di carico, o addirittura possono rimuovere i due MOSFET al silicio da 650V in parallelo e sostituirli con un dispositivo da 650 V, che rimane compatibile con i MOSFET al SiC analoghi. Il vero valore aggiunto della tecnologia ad ampio bandgap tuttavia risiede nel loro utilizzo per le nuove topologie a tensione superiore e ad efficienza più elevata come i progetti totem pole e questo è il caso in cui i dispositivi al nitruro di gallio (GaN) stanno riscuotendo un notevole interesse.
Caratteristiche della tecnologia GaN
Il GaN assicura livelli di efficienza ancora più elevati rispetto al SiC. Il bandgap di 3,4 eV e la maggiore mobilità degli elettroni che caratterizzano questa tecnologia la stanno rendendo un’opzione molto interessante. I dispositivi al GaN sono utilizzati per i caricabatterie dei veicoli elettrici con livelli di efficienza del 97% e densità di potenza anche di 2.6 kW/l, rispetto ai dati precedenti di efficienza di circa il 94%. L’implementazione dei progetti tende a basarsi su un interruttore da 60 A e 650 V in un'architettura a due stadi. Altri dispositivi al GaN vengono utilizzati per i caricabatterie bidirezionali da 6,6 kW su scheda a supporto dei veicoli elettrici plug-in. Questi ultimi forniscono un'efficienza di oltre il 95%, che permette di ridurre il volume e il peso da un mezzo ad un terzo rispetto alle soluzioni su silicio. Essendo la tecnologia più recente rispetto al SiC, alcuni ingegneri nutrono ancora dubbi circa l'affidabilità sul lungo termine associata ai dispositivi GaN, ma questi ultimi sono stati ampiamente testati nel corso di diversi anni e sono ora qualificati per uso automobilistico. Questa tecnologia sta così portando a nuovi progetti caratterizzati da una maggiore efficienza per la prossima generazione dei sistemi di trasporto elettrici.
A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics - Distributore Autorizzato
Il passo fondametale per i veicoli elettrici è la scelta del materiale per la batteria. Un problema di cicli di ricarica ma anche smaltimento per evitare ripercussioni sull’ambiente.