Le applicazioni automotive promuovono lo sviluppo di tecnologie dei semiconduttori a maggiore efficienza energetica, con l'ampia banda proibita (WBG) in prima linea per molti casi di utilizzo nelle automobili e per le infrastrutture di supporto, come la ricarica di veicoli elettrici (EV).
La banda proibita più ampia è ciò che distingue le tecnologie WBG dai semiconduttori tradizionali, o "silicio tradizionale". La banda proibita è la differenza di energia tra la parte superiore della banda di valenza e la parte inferiore della banda di conduzione: questa differenza consente ai dispositivi di potenza a semiconduttore WBG di funzionare a tensioni, temperature e frequenze più elevate. Tutto questo è possibile grazie all'uso di materiali nuovi ed emergenti non siliconici.
L'elettronica di potenza (PE) WBG è un segmento piccolo ma in crescita della PE. I dispositivi WBG PE vengono utilizzati per la conversione, il controllo e il trattamento dell'elettricità. I dispositivi di potenza a semiconduttore WBG consentono una generazione, una trasmissione e un consumo più efficienti dell'energia e rappresentano la scelta ideale per molte applicazioni automobilistiche.
Banda proibita e materiali
La banda proibita dei tipici materiali semiconduttori, come il silicio, è compresa tra 1 e 1,5 elettronvolt (eV), mentre i semiconduttori WBG hanno una banda proibita più ampia, compresa tra 2 e 4 eV. In sostanza, una banda proibita più ampia è migliore perché un semiconduttore WBG può funzionare a temperature massime più elevate rispetto al silicio tradizionale, una caratteristica apprezzata nelle applicazioni automobilistiche.
In fisica, la banda proibita di un materiale è la differenza di energia tra il più basso stato non occupato della banda di conduzione, quella in cui gli elettroni possono saltare, e il più alto stato occupato della banda di valenza, vale a dire la banda degli orbitali da cui gli elettroni saltano quando vengono eccitati tramite l'applicazione di energia. L'energia che server agli elettroni per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione è determinata dalla banda proibita.
Oltre al gap stesso, i materiali utilizzati nei semiconduttori WBG sono ciò che li distingue dai semiconduttori tradizionali. I più comuni sono il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC); secondo le previsioni, il mercato di queste tecnologie dovrebbe superare i 6,9 milioni di dollari entro il 2032.
Il nitruro di gallio ha una banda proibita di 3,2 eV, mentre il carburo di silicio ha una banda proibita di 3,4 eV: circa tre volte più grandi di quella del silicio. Per via della maggiore banda proibita, sia il nitruro di gallio che il carburo di silicio possono supportare tensioni e frequenze più elevate rispetto al silicio tradizionale, ma sono anche diversi tra loro. Questi fattori influiscono sul loro funzionamento e sui casi di utilizzo, anche nelle applicazioni automobilistiche.
La differenza più rilevante tra il nitruro di gallio e il carburo di silicio è la velocità, definita dalla velocità con cui gli elettroni possono attraversare il materiale semiconduttore. La "mobilità elettronica" del nitruro di gallio è del 30% più veloce di quella del silicio a 2.000 cm2/Vs, mentre la mobilità degli elettroni del carburo di silicio è di 650 cm2/Vs. La maggiore mobilità elettronica del nitruro di gallio lo rende più adatto per le applicazioni ad alte prestazioni e ad alta frequenza, mentre la maggiore conduttività termica e il funzionamento a bassa frequenza del carburo di silicio lo rendono più adatto per le applicazioni ad alta potenza.
Queste differenze sono il motivo per cui i semiconduttori GaN sono adatti per dispositivi RF che commutano nell'intervallo dei gigahertz, mentre il carburo di silicio viene utilizzato nei veicoli elettrici e nei data center, in alcuni progetti di energia solare, nella trazione ferroviaria, nelle turbine eoliche, nella distribuzione di rete e nell'imaging industriale e medico: tutte applicazioni che tendono a richiedere tensioni più elevate e una migliore dissipazione del calore.
Le tecnologie al silicio dominanti hanno iniziato a raggiungere i limiti di prestazioni in un numero crescente di applicazioni attuali ed emergenti, sia il nitruro di gallio che il carburo di silicio offrono diversi vantaggi per le applicazioni automobilistiche.
Utilità del WBG nel settore automotive
Il vantaggio generale dei semiconduttori WBG è che possono resistere a campi elettrici più elevati, sostenere tensioni maggiori e operare a frequenze di commutazione più alte, migliorando così le prestazioni. Sono anche in grado di gestire temperature massime più alte rispetto al silicio tradizionale.
Le tecnologie WBG consentono anche dimensioni più piccole perché la commutazione è più veloce: l'energia viene fornita in pacchetti più piccoli, quindi è necessario immagazzinare meno energia nei dispositivi passivi e induttivi del circuito. Le dimensioni ridotte sono sempre positive per l'industria automobilistica, soprattutto quando consentono una maggiore potenza e una migliore efficienza energetica: il peso dell'auto si riduce, con effetti positivi sull'efficienza dei consumi e la riduzione delle emissioni. Questo vale in particolare per i veicoli elettrici, dato che il nitruro di gallio e il carburo di silicio hanno molte applicazioni non solo all'interno dell'auto, ma anche nelle infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici.
Poiché il nitruro di gallio consente sistemi di alimentazione più piccoli, più efficienti e a costo inferiore, supporta diversi aspetti chiave dell'elettrificazione dei veicoli: batterie più piccole e leggere, migliori prestazioni di ricarica e maggiore autonomia dei veicoli elettrici. Il nitruro di gallio supporta anche le applicazioni di alimentazione wireless e le funzionalità dei veicoli autonomi.
Un elemento fondamentale dell'infrastruttura di ricarica dei veicoli elettrici è il caricabatterie di bordo (OBC): ogni veicolo ne ha bisogno e deve essere in grado di convertire la corrente alternata proveniente dalla presa a parete in corrente continua per caricare la batteria. I transistor a nitruro di gallio permettono di realizzare OBC più piccoli e più leggeri e questo, naturalmente, riduce il peso complessivo del veicolo ed estende l'autonomia di guida. I transistor a nitruro di gallio sono utilizzati anche come inverter di trazione, che convertono la corrente continua in corrente alternata nella batteria e aumentano l'autonomia di guida grazie a una maggiore efficienza energetica.
Allo stesso tempo, la tecnologia SiC agevola l'infrastruttura di ricarica necessaria per supportare l'adozione dei veicoli elettrici, attraverso dispositivi di potenza a carburo di silicio, che includono MOSFET e diodi Schottky bare die e discreti e moduli di potenza. La maggiore capacità di conversione di potenza, la velocità di commutazione più elevata e il migliore rendimento termico fanno del carburo di silicio la scelta ideale per l'infrastruttura di ricarica EV rapida. Come il nitruro di gallio, il carburo di silicio consente di realizzare dispositivi più piccoli e leggeri rispetto alle opzioni in silicio tradizionale.
La tecnologia SiC svolge un ruolo fondamentale nella costruzione dell'infrastruttura di ricarica rapida necessaria per fugare qualsiasi dubbio residuo sull'autonomia, l'affidabilità e la robustezza dei veicoli elettrici: caratteristiche necessarie a livello di dispositivo di sistema per un'infrastruttura di ricarica EV più rapida. Man mano che aumenta l'autonomia dei veicoli elettrici, con l'adozione di batterie più leggere e ad alta densità di potenza, gli OBC diventano bidirezionali. Questo è possibile grazie a soluzioni a carburo di silicio in grado di supportare anche applicazioni per reti intelligenti e funzionalità di e-commerce all'interno di un'infrastruttura di ricarica EV rapida.
Anche la flessibilità è fondamentale per la progettazione automobilistica, supportata sia dalla tecnologia GaN che dalla tecnologia SiC perché sono più piccole, più leggere e con una maggiore efficienza energetica. Affinché i veicoli elettrici possano veramente prendere piede, l'infrastruttura di ricarica di supporto dovrà soddisfare le esigenze di molti tipi diversi di veicoli e soggetti interessati: non solo i conducenti di veicoli elettrici, ma anche comuni e titolari di aziende, che avranno requisiti specifici per le stazioni di ricarica; requisiti a cui i progettisti di sistemi devono rispondere.
I semiconduttori WBG potrebbero risolvere i problemi di alimentazione nelle applicazioni automobilistiche, così come in altre applicazioni energetiche alternative e nei gruppi di continuità. Dai un'occhiata a questo eBook per saperne di più. L'aumento del fabbisogno energetico e la maggiore consapevolezza ambientale fanno delle tecnologie WBG un'ottima scelta per i dispositivi di potenza, perché permettono di ridurre le dimensioni, aumentano l'efficienza energetica e riducono il consumo complessivo: tutti fattori importanti nel settore automobilistico.
