I semiconduttori ad ampio bandgap stanno ridefinendo il settore dei trasporti

L'intero settore dei trasporti sta subendo una trasformazione radicale: i veicoli con motore a combustione interna (ICE) stanno gradualmente lasciando il posto alle auto elettriche e ibride meno inquinanti e a soluzioni di trasporto di massa (treni, aerei e navi) più pulite. Per contenere le emissioni di gas serra (GHG) e mitigare il riscaldamento globale sono necessarie soluzioni in grado di massimizzare l'efficienza e ridurre l'impatto ambientale.

I semiconduttori ad ampio bandgap (WBG) hanno diverse proprietà interessanti per le applicazioni di trasporto. Il loro utilizzo può portare a veicoli più efficienti, veloci e leggeri, con un'autonomia migliore e un impatto ambientale ridotto.

Proprietà dei materiali WBG

I materiali ad ampio bandgap stanno rapidamente trasformando il settore dell'elettronica di potenza grazie ai loro vantaggi rispetto al silicio (Si) di uso comune. Mentre il silicio ha un bandgap di 1,1 eV, i materiali WBG hanno un bandgap compreso tra 2 e 4 eV. Inoltre, il campo elettrico di cedimento della maggior parte dei semiconduttori WBG è sostanzialmente superiore a quello del silicio. Ciò significa che possono funzionare a temperature e tensioni significativamente più elevate, fornendo livelli di potenza superiori e perdite inferiori. La tabella 1 elenca le principali proprietà del carburo di silicio (SiC) e del nitruro di gallio (GaN), i due materiali WBG più diffusi, rispetto al silicio.

Tabella 1: Confronto delle proprietà di Si, SiC e GaN.

I principali vantaggi dei dispositivi di alimentazione SiC, rispetto alle controparti basate sul silicio, sono i seguenti:

• Basse perdite di commutazione: i MOSFET SiC sono dispositivi unipolari che presentano perdite di commutazione molto basse all'accensione e allo spegnimento. Questa proprietà si traduce in frequenze di commutazione più elevate con perdite inferiori, consentendo di ridurre il ricorso a componenti passivi e magnetici.
• Basse perdite di conduzione: grazie all'assenza di una giunzione bipolare, i dispositivi SiC possono ridurre le perdite anche durante il funzionamento a carico basso o parziale.
• Elevate temperature di funzionamento: il carburo di silicio offre proprietà termiche superiori rispetto al silicio. Il SiC presenta basse correnti di dispersione in un ampio intervallo di temperature, per un funzionamento oltre i 200 °C. Il raffreddamento semplificato e l'eccellente gestione termica sono una conseguenza di questa proprietà.
• Body diode intrinseco: grazie a questa caratteristica, i MOSFET SiC possono funzionare in modalità diodo nel terzo quadrante, fornendo prestazioni eccellenti nelle applicazioni di alimentazione.

La combinazione di queste proprietà porta a dispositivi SiC con densità di potenza, efficienza, frequenze operative e ingombri ridotti.

I principali vantaggi dei dispositivi di alimentazione GaN, rispetto alle controparti Si e SiC, sono i seguenti:

• I dispositivi GaN possono funzionare nel terzo quadrante senza carica di recupero inverso, anche senza un body diode intrinseco. Di conseguenza, non è necessario un diodo antiparallelo.

• Bassa carica del gate (Q_G) e resistenza nello stato On (RDSon), che si traducono in minori perdite di pilotaggio e velocità di commutazione più alte
• Recupero inverso nullo, con conseguenti minori perdite di commutazione e meno disturbi EMI
• Elevato dV/dt: il GaN può commutare a frequenze molto elevate e ha tempi di accensione e spegnimento 4 volte più veloci rispetto ai MOSFET SiC con un RDSon simile.

Applicazioni dei dispositivi WBG

Come evidenziato nella Figura 1, vi sono applicazioni in cui SiC e GaN offrono le migliori prestazioni e altre in cui le loro caratteristiche equivalgono a quelle del silicio. Spesso i dispositivi GaN sono la scelta migliore per le applicazioni ad alta frequenza, mentre i dispositivi SiC hanno un potenziale elevato alle alte tensioni.

Figura 1: Potenziali applicazioni dei dispositivi Si, SiC e GaN. (Immagine di Infineon)

Veicoli ibridi ed elettrici

Gli H/EV utilizzano svariati sistemi di elettronica di potenza per trasformare l'energia della rete o del motore in una forma adatta ad alimentare il motore e i dispositivi ausiliari. La maggior parte degli H/EV utilizza anche la frenatura a recupero, in cui le ruote fanno ruotare il generatore per caricare la batteria.

L'inverter di trazione è un componente fondamentale di questi veicoli, in quanto converte l'alta tensione c.c. dalle batterie in c.a. per alimentare il motore trifase (Figura 2). A causa dell'elevata potenza coinvolta, in questa applicazione si preferiscono i dispositivi SiC, con valori nominali di 650 V o 1,2 kV, a seconda della topologia dell'inverter. Il SiC contribuisce a ridurre le perdite, le dimensioni e il peso, per soluzioni con fattori di forma compatti.

Figura 2: Componenti principali di un H/EV. (Immagine di ROHM Semiconductor)

Il caricatore di bordo (OBC) si collega alla rete, convertendo la tensione c.a. in tensione c.c. per caricare la batteria. La potenza di uscita dell'OBC è solitamente compresa tra 3,3 kW e 22 kW e si basa su dispositivi di alimentazione ad alta tensione (600 V e oltre). Sebbene sia il SiC che il GaN siano adatti a questa applicazione, le caratteristiche del GaN, come l'elevata frequenza di commutazione, le basse perdite di conduzione e il peso e le dimensioni contenuti, lo rendono ideale per l'implementazione degli OBC.

Un'altra applicazione del WBG negli H/EV è il convertitore c.c./c.c. a bassa tensione (LV), responsabile di ridurre la tensione della batteria (200 V negli HEV, oltre 400 V negli EV) alla tensione di 12 V/48 V c.c. necessaria per alimentare i sistemi ausiliari. Caratterizzato da una potenza tipica inferiore a 1 kW, il convertitore LV può raggiungere frequenze più elevate utilizzando dispositivi GaN e SiC.

La Tabella 2 riassume come Si, SiC e GaN soddisfino i requisiti delle applicazioni H/EV appena menzionate.

Tabella 2: Applicazioni del WBG negli H/EV e confronto delle prestazioni con il Si.

Trasporto ferroviario

I treni elettrici prelevano l'energia dalla rete attraverso una linea catenaria o una terza rotaia, convertendola in una forma adatta ai motori e ai sistemi ausiliari. Se il treno funziona su una linea in c.a., un trasformatore e un raddrizzatore devono ridurre e condizionare la tensione in c.c. La tensione c.c. viene quindi suddivisa e fornita attraverso gli inverter per soddisfare le esigenze dei sistemi ausiliari e di trazione.

L'inverter di trazione trasforma la corrente continua in corrente alternata per alimentare i motori e ricondiziona l'elettricità prodotta dalla frenatura a recupero. Pertanto, questo convertitore è progettato per gestire un flusso bidirezionale di energia. L'inverter ausiliario fornisce invece energia ai sistemi di raffreddamento, per il comfort dei passeggeri e altre esigenze non legate al movimento.

Le dimensioni dell'elettronica di potenza dell'inverter di trazione dipendono dalla classe del treno:

• Treni di transito: 1,2 ~ 2,5 kV
• Treni pendolari: 1,7 ~ 3,3 kV
• Treni Intercity: oltre 3,3 kV

Tuttavia, la maggior parte dei treni utilizza 3,3 kV o 1,7 kV.

La frenatura a recupero, che restituisce una parte dell'elettricità alla rete locale, al sistema di distribuzione dell'energia ferroviaria o all'immagazzinaggio dell'energia, rende il sistema più complicato rispetto alle applicazioni precedenti. L'energia rigenerata deve essere immagazzinata o utilizzata immediatamente, altrimenti va persa.

Gli IGBT bipolari a base di Si e i diodi a ruota libera, tradizionalmente utilizzati nei moduli di potenza per applicazioni di trazione ferroviaria, possono essere sostituiti da MOSFET e diodi unipolari a base di SiC, aumentando così la frequenza di commutazione e la densità di potenza.

Le perdite di conduzione e di commutazione devono essere ridotte e la massima temperatura di giunzione deve essere aumentata per ridurre il peso e il volume delle apparecchiature elettroniche di potenza utilizzate nelle applicazioni di trazione ferroviaria. Per i dispositivi di alimentazione bipolari al silicio ampiamente utilizzati, l'aumento delle perdite di conduzione e la diminuzione delle perdite di commutazione hanno effetti opposti. Un dispositivo unipolare non subisce il compromesso tra le perdite di conduzione e di commutazione come i dispositivi bipolari. Di conseguenza, le perdite di commutazione potrebbero essere ridotte, minimizzando al contempo le perdite di conduzione.

Le perdite di potenza nella rotaia elettrica possono essere ridotte significativamente con l'elettronica di potenza WBG. Di conseguenza, si preleverà meno energia dalla rete e se ne restituirà di più attraverso la frenatura a recupero. I dispositivi WBG offrono anche ulteriori vantaggi che aiutano notevolmente il trasporto ferroviario oltre all'aumento dell'efficienza, ad esempio:

• La riduzione del peso ha un impatto significativo sull'efficienza
• La temperatura di funzionamento più elevata porta a un sistema di raffreddamento più piccolo
• L'aumento della frequenza di commutazione consente di ridurre le dimensioni passive, con conseguente diminuzione del peso degli inverter di trazione e ausiliari. L'inverter e il motore possono rispondere più rapidamente alle variazioni nella domanda grazie alla maggiore frequenza di commutazione, aumentando così l'efficienza. Infine, poiché la frequenza più alta è meno udibile e le ventole di raffreddamento possono essere spente, le fermate ferroviarie sarebbero meno rumorose in presenza di treni.

Applicazioni marine e aeronautiche

Le innovazioni dell'elettronica di potenza hanno favorito il settore nautico per molto tempo. Su una nave, l'elettricità a media tensione in c.a. proveniente da generatori sincroni alimentati da motori diesel viene fornita a vari carichi. Tra questi vi sono soprattutto gli azionamenti di propulsione (un misto di convertitori c.a./c.c. e c.c./c.a.) e altri carichi.

Le recenti tendenze nel settore navale stanno cercando di sostituire le reti di distribuzione elettrica a c.a. con reti di distribuzione a c.c. Questa soluzione elimina la necessità di sincronizzare i generatori alla distribuzione dell'energia elettrica c.a., a condizione che possano funzionare a velocità variabile, e consente di risparmiare carburante. D'altro canto, richiede l'introduzione di circuiti raddrizzatori (convertitori c.a./c.c.) tra i generatori c.a. e la rete di dell'energia elettrica c.c.

I variatori di velocità per la propulsione marina sono componenti cruciali di una nave e devono funzionare con estrema affidabilità. La potenza nominale varia da pochi watt a qualche decina di megawatt. Spesso, questi azionamenti sono i blocchi di conversione di potenza più importanti in una nave con distribuzione dell'energia elettrica in c.a. Per questo, la massima efficienza è fondamentale.

I dispositivi di alimentazione convenzionali basati sul silicio sono sostituiti da dispositivi SiC e GaN, che aumentano l'efficienza riducendo al contempo dimensioni e peso. I dispositivi WBG supereranno presto i dispositivi basati su Si come leader del settore, portando a soluzioni di elettronica di potenza all'avanguardia impossibili con la tecnologia del silicio.

I futuri generatori elettrici alimentati da turbine a combustibile saranno il motore principale dei sistemi di propulsione avionica ibridi e completamente elettrici. L'elettronica di potenza verrà poi utilizzata per collegare il generatore e il motore. Per garantire la disponibilità di energia sufficiente, sono necessari bus di tensione c.c. molto elevati. La tensione di questi bus può variare da pochi kV per i veicoli leggeri a parecchi MV per gli aeroplani. Inoltre, un bus ad alta tensione c.c. consente di utilizzare macchine sincrone a magneti permanenti come generatori, riducendo la potenza reattiva e i limiti di impiego dell'elettronica di potenza. I convertitori di potenza necessitano di apparecchiature in grado di funzionare ad alte frequenze di commutazione a causa dell'alta velocità di rotazione del generatore, il che comporta elementi filtranti più piccoli e leggeri.

Il carburo di silicio è il dispositivo a semiconduttore più promettente per soddisfare tutti i requisiti e garantire un'elevata efficienza di conversione. Per i velivoli nell'intervallo di potenza inferiore, i dispositivi MOSFET SiC da 3,3 kV e 6,5 kV di nuova concezione sono di notevole interesse. Possono anche essere impiegati in topologie di convertitori di potenza modulari per soddisfare i requisiti di tensione/potenza più elevati degli aerei di grandi dimensioni.

Conclusione

I semiconduttori ad ampio bandgap, come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), offrono diversi vantaggi rispetto ai semiconduttori tradizionali per la loro capacità di gestire tensioni e temperature elevate con una minore perdita di potenza. Queste caratteristiche li rendono particolarmente adatti all'elettronica di potenza utilizzata in varie applicazioni, anche nel settore dei trasporti.

I semiconduttori WBG sono utilizzati nei trasporti per sviluppare veicoli elettrici e ibridi più efficienti e affidabili. La minore perdita di potenza dei semiconduttori ad ampio bandgap offre frequenze di commutazione superiori, riducendo le dimensioni e il peso dell'elettronica di potenza. Questo, a sua volta, può portare a una maggiore autonomia del veicolo, a tempi di ricarica più rapidi e a migliori prestazioni complessive.

I semiconduttori ad ampio bandgap consentono anche lo sviluppo di gruppi propulsori più compatti ed efficienti, compresi gli azionamenti dei motori e gli inverter per EV e HEV. Riducendo le dimensioni e il peso di questi componenti, i progettisti di veicoli possono liberare spazio per altri componenti o migliorare l'aerodinamica complessiva del veicolo.

Oltre che nei veicoli elettrici e ibridi, i semiconduttori ad ampio bandgap sono utilizzati anche in altri mezzi di trasporto, come aerei e treni. In queste applicazioni, le capacità di alta temperatura e alta tensione dei semiconduttori ad ampio bandgap possono migliorare l'efficienza e l'affidabilità dell'elettronica di potenza, riducendo i costi operativi e migliorando la sicurezza.