Perché i componenti al SiC sono importanti nell'era dell'elettrificazione?

Quasi mezzo decennio dopo che Tesla ha incorporato i MOSFET al carburo di silicio (SiC) nell'inverter di trazione della Model 3, un dispositivo che converte la corrente continua proveniente dalla batteria nella corrente alternata necessaria per azionare il motore, questa tecnologia ad ampia banda proibita corrente (WBG) ha fatto molta strada nel cambiare la dinamica dell'alimentazione nei progetti dei veicoli elettrici.

Uno studio di Exawatt prevede che entro il 2030 il 70% dei veicoli elettrici utilizzerà MOSFET al SiC. Inoltre, si prevede che questo materiale dei semiconduttori WBG trasformerà i progetti di energia rinnovabile, dalle turbine eoliche ai motori industriali ai pannelli solari.

Oltre all'elettrificazione dei veicoli, una serie di dispositivi come gli inverter di trazione traducono, gestiscono e regolano costantemente il flusso di energia nell'elettrificazione dei parchi eolici, dell'energia solare e delle reti elettriche.

I dispositivi SiC di Infineon sono stati al centro di un progetto pilota di un anno per ridurre il rumore dei motori dei tram di Monaco, in Germania.

Ma perché i componenti SiC sono più adatti ai veicoli elettrici e alle energie rinnovabili, come gli inverter fotovoltaici? Nelle applicazioni di alimentazione utilizzate per l'elettrificazione dei veicoli e i sistemi di energia rinnovabile, l'efficienza, l'affidabilità e la densità di potenza sono sfide costanti per i progettisti. Tuttavia, i componenti a base di silicio hanno raggiunto i loro limiti per quanto riguarda il miglioramento dell'efficienza e la riduzione dei costi di sistema.

D'altra parte, progetti come i propulsori di trazione, gli azionamenti dei motori industriali e le soluzioni per le infrastrutture energetiche richiedono una tecnologia di commutazione ad alta tensione per aumentare l'efficienza, ridurre le dimensioni e il peso del sistema e migliorare l'affidabilità. Ciò richiede una nuova generazione di componenti di alimentazione che migliorino l'efficienza a livello di sistema, aumentino la densità di potenza, nonché riducano le interferenze elettromagnetiche, le dimensioni e il peso del sistema. Ecco i semiconduttori di alimentazione al SiC.

Prendiamo il caso dei veicoli elettrici, in cui i componenti al SiC sono diventati un elemento chiave per la progettazione di inverter di trazione, caricabatterie di bordo (OBC), convertitori CC/CC e compressori per il climatizzatore elettronico. Nella sezione seguente viene spiegato il modo in cui i semiconduttori al SiC migliorano l'efficienza e riducono le dimensioni delle trasmissioni e dei caricabatterie dei veicoli elettrici.

Perché il SiC è un pilastro dei veicoli elettrici?

Non c'è da stupirsi che i veicoli elettrici aspirino ad aumentare la capacità della batteria di bordo per migliorare l'autonomia di crociera. Inoltre, i veicoli elettrici utilizzano batterie da 800 V a tensione più alta per soddisfare la richiesta di tempi di ricarica più brevi. Non sorprende quindi che i progettisti automotive abbiano urgentemente bisogno di dispositivi di alimentazione in grado di sopportare tensioni elevate con perdite ridotte.

I componenti al SiC possono gestire tensioni fino ad almeno 1.200 V, offrendo al contempo una maggiore conduttività termica. Inoltre, la loro robusta gestione delle alte frequenze consente di diminuire le dimensioni dei componenti passivi dei sistemi di alimentazione. In questo modo i dispositivi di alimentazione al SiC contribuiscono ad aumentare l'efficienza e a ridurre il peso e il costo del veicolo.

Oltre alla trasmissione, ovvero il componente che trasporta l'energia dalla fonte di alimentazione (la batteria) agli assi per far funzionare i veicoli, l'aspetto correlato più importante è la ricarica a bordo dei veicoli elettrici. I dispositivi di conversione sono simili agli inverter di trazione, ma svolgono la funzione opposta: convertono la corrente alternata fornita dalla rete in corrente continua adatta alla batteria.

Per la progettazione della sua prima berlina elettrica di lusso chiamata Lucid Air, la casa automobilistica californiana Lucid ha utilizzato MOSFET al SiC nell'unità di ricarica principale di bordo in cui erano presenti un convertitore CC/CC e l'OBC bidirezionale per garantire un circuito avanzato di correzione del fattore di potenza in grado di funzionare ad alte frequenze di commutazione.

I MOSFET al SiC di Rohm hanno alimentato la Wunderbox di Lucid Air, ovvero la principale unità di ricarica di bordo che include un convertitore CC/CC e l'OBC bidirezionale.

L'integrazione dei MOSFET al SiC SCT3040K e SCT3080K di Rohm ha inoltre aiutato Lucid a ridurre le dimensioni del progetto e a diminuire le perdite di alimentazione grazie all'elevata efficienza di ricarica. Rohm ha ottimizzato i suoi MOSFET al SiC per i sistemi di propulsione automotive, ad esempio gli inverter principali.

Ci sono poi gli autobus elettrici lanciati in Cina da Yutong Group; in questo caso, il sistema di propulsione ad alta efficienza per autobus elettrici si basa su moduli StarPower che includono i MOSFET al SiC da 1.200 V di Wolfspeed.

Oltre i veicoli elettrici: l'energia rinnovabile

Se da un lato il SiC sta ridisegnando il funzionamento della trasmissione e degli OBC nei veicoli elettrici, dall'altro ha dimostrato il potenziale per applicazioni di elettrificazione che vanno dai sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC) alle reti elettriche e ai motori industriali. In breve, l'applicazione del SiC non si limita al settore dei veicoli elettrici.

Un esempio emblematico: la capacità fotovoltaica installata sta proliferando in tutto il mondo, sostituendo circa 600 centrali elettriche a carbone di medie dimensioni. I sistemi a energia solare utilizzano molti inverter e, in questo caso, il peso e le dimensioni sono fattori importanti per l'installazione dei pannelli solari. La riduzione delle dimensioni di un inverter potrebbe ridurre significativamente la manodopera necessaria per l'installazione e la manutenzione dei pannelli solari.

Midnite Solar, creatore di prodotti per l'energia alternativa con sede ad Arlington, Washington, ha utilizzato i MOSFET al SiC di Rohm nei regolatori di carica solare, nei regolatori di carica MPPT doppi, nei caricabatterie/inverter basati su batterie e negli inverter/caricabatterie da 120/240 V. Nel tentativo di impiegare un inverter come caricabatterie, che deve funzionare in modo bidirezionale, Midnite Solar ha inizialmente provato una coppia di IGBT in combinazione con un altro diodo. Ma non ha funzionato del tutto e alla fine il SiC ha risolto l'enigma del progetto.

Poi c'è Delta Energy Systems, che ha utilizzato i MOSFET al SiC di Wolfspeed nei suoi inverter per l'energia solare per aumentare la densità di potenza e l'efficienza energetica, riducendo al contempo il peso degli inverter.