L'elettronica di potenza basata sul silicio (Si) ha dominato a lungo il settore dell'elettronica di potenza per la sua maturità tecnologica e la relativa accessibilità. Il substrato in carburo di silicio (SiC), tuttavia, ha guadagnato terreno negli ultimi tempi grazie ai suoi importanti vantaggi intrinseci, che si adattano bene alle recenti tendenze del settore. Questo semiconduttore Wide Band Gap (WBG) non solo può gestire densità di corrente molto maggiori rispetto alla sua controparte in silicio, ma offre anche un'elevata efficienza nella conversione di potenza con un'alta conduttività termica, fattori particolarmente critici nelle applicazioni basate su batteria che richiedono risparmi energetici elevati e cariche veloci.
Questo articolo fa parte di una serie di due articoli che esamina le considerazioni progettuali relative ai sistemi di carica a bordo (OBC) e i vantaggi che il SiC offre rispetto al Si per gli OBC, con particolare attenzione ai caricabatterie bidirezionali. I vantaggi pratici dell'implementazione del SiC rispetto al Si nei sistemi OBC sono esaminati in dettaglio in un confronto tra i progetti di riferimento di un OBC basato su silicio e un OBC basato su carburo di silicio, con un'analisi particolareggiata dei risparmi sui costi e dei vantaggi del sistema.
Perché il carburo di silicio?
Il SiC è già diffuso in una miriade di applicazioni dell'elettronica di potenza, inclusi alimentatori, conversione di energia solare, conversione di energia per altre fonti di energia rinnovabile e inverter per azionamenti di motori industriali. Questo semiconduttore WBG è straordinariamente adatto alla maggior parte delle applicazioni di potenza, dai dispositivi a bassa potenza ai sistemi ad alta potenza, grazie alla sua combinazione unica di campo elettrico critico (2,2x106 V/cm), velocità degli elettroni, punto di fusione (300 °C) e conduttività termica (4,9 W/cmK). A livello di transistor, ciò porta a una bassa resistenza in stato on (R(DS)on) che consente perdite di conduzione inferiori, che a loro volta permettono applicazioni ad alta corrente. La capacità dei dispositivi inferiore rispetto ai transistor bipolari a gate isolato (IGBT) basati sul Si consente perdite di commutazione minime ad alte frequenze di commutazione con filtri e componenti passivi più piccoli e un sistema di gestione termica complessivamente più semplice.
Wolfspeed è specializzata nella progettazione e nello sviluppo di sistemi SiC, dallo sviluppo di wafer di base alla progettazione e al supporto di apparecchiature SiC installate. La tabella 1 illustra in dettaglio i vantaggi del SiC, anche combinati alle competenze di Wolfspeed nel campo del carburo di silicio.
Tabella 1
Queste straordinarie qualità hanno spostato l'uso dei convertitori AC-DC e DC-DC basati su SiC in applicazioni per veicoli elettrici (EV) da bassa ad alta potenza. Ciò vale soprattutto per i sistemi OBC utilizzati in veicoli elettrici come e-bike, veicoli elettrici ibridi (HEV), veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV) e vari veicoli elettrici a batteria (BEV), comprese auto per pendolari e autocarri commerciali. E vale in particolare per i sistemi OBC di potenza più elevata (oltre i 3,3 kW), utilizzati per caricare più rapidamente le batterie dei veicoli elettrici. I vantaggi del cambiamento includono la semplificazione del processo di carica e una maggiore appetibilità di questa tecnologia per i consumatori abituati ai motori a combustione interna (ICE), poiché vengono mitigati gli effetti negativi dell'ansia da autonomia.
Per questi motivi, il tempo di carica e l'autonomia effettiva del veicolo dopo una carica sono parametri critici per i produttori di veicoli e questi due fattori dipendono dalle dimensioni della batteria e dalla potenza di carica nominale. La potenza di carica varia notevolmente e va da 3,3 kW e 6,6 kW, nei sistemi monofase a bassa potenza, a 11 kW e 22 kW nei sistemi ad alta potenza. La figura 1 mostra il tipo di veicolo tipico, le dimensioni della batteria, il tempo di carica da 0% a 100% e le tecnologie competitive per sistemi OBC da 3,3 kW, 6,6 kW, 11 kW e 22 kW.
Figura 1: confronto tra tipi di veicolo, dimensioni della batteria, tempo di carica da 0% a 100% e tecnologie competitive con sistemi OBC da 6,6 kW e 22 kW inclusi.
I tipi di veicoli vanno dai BEV per pendolari ai veicoli più grandi e con prestazioni più elevate come gli autocarri elettrici. Come mostrato nell'immagine, anche con più di 3 volte la potenza di carica, i veicoli con capacità maggiore possono comunque necessitare di un tempo di carica maggiore dallo 0% al 100% e ciò rende gli OBC particolarmente efficienti per i sistemi ad alta potenza; cioè, si spreca meno corrente e si ottiene una carica più rapida.
Al di là dell'efficienza, per i sistemi OBC è fondamentale tenere in considerazione parametri come costo, peso e dimensioni, poiché è più facile implementare OBC più piccoli e leggeri in veicoli che spesso hanno poca disponibilità di spazio. Inoltre, il costo dei sistemi OBC, sia per il consumatore che per l'OEM, ha un impatto diretto su CAPEX e risultati economici del produttore e sull'accessibilità da parte del consumatore. Per garantire la competitività, il sistema OBC deve aiutare il veicolo elettrico a mantenere un prezzo simile a quello dei veicoli dotati di motore a combustione.
Sistemi OBC bidirezionali da 22 kW: progetti campione basati su Si e SiC
Vantaggi del flusso di corrente bidirezionale
Come affermato nel precedente articolo sulla progettazione di sistemi OBC unidirezionali, i dispositivi di carica bidirezionali possono intrinsecamente raggiungere efficienze più elevate rispetto alle soluzioni con caricabatterie unidirezionali grazie all'eliminazione delle perdite dei diodi. Il blocco DC-DC unidirezionale include l'uso del diodo PFC Vienna, mentre il convertitore risonante LLC unidirezionale esegue la rettifica dell'uscita con un ponte a diodi. La figura 2 mostra lo schema tipico di un OBC bidirezionale monofase: il raddrizzatore full bridge è stato sostituito da MOSFET SiC a bassa perdita per eliminare le perdite derivanti dalla caduta di tensione diretta dei diodi raddrizzatori. Ciò, a sua volta, riduce la dissipazione della potenza, semplificando così i requisiti di gestione termica.
Mentre il mercato Asia-Pacifico (APAC) spinge per l'utilizzo della tecnologia di carica bidirezionale per i veicoli elettrici, esiste anche una tendenza generale verso l'impiego di OBC bidirezionali dovuta alla loro maggiore efficienza di sistema, nonché al potenziale per altre applicazioni, quali la generazione di corrente da veicolo a casa (V2H), le possibilità di generazione da veicolo a rete (V2G) e i casi d'uso di carica da veicolo a veicolo (V2V) (come l'avviamento di un altro veicolo elettrico).
Figura 2: schema tipico di un sistema OBC bidirezionale monofase
Sistemi OBC bidirezionali da 22 kW: Si o SiC?
Come mostrato in precedenza nella figura 1, i sistemi OBC bidirezionali basati sul silicio con tecnologie di supergiunzione Si e IGBT basati sul Si sono i principali contendenti degli OBC bidirezionali basati sul carburo di silicio. Tuttavia, questa sezione illustra come il SiC superi tali tecnologie in tutti gli aspetti rilevanti (costi, dimensioni, peso, densità di potenza ed efficienza). Iniziamo osservando la figura 3, che mostra uno schema di riferimento per un sistema OBC bidirezionale da 22 kW basato sia sul Si che sul SiC: vengono confrontati il numero di dispositivi di potenza e di gate driver.
Figura 3: rappresentazione schematica di OBC bidirezionali da 22 kW basati su (A) silicio e (B) carburo di silicio
La tabella 2 elenca le rispettive specifiche del primo stadio PFC totem-pole AC-DC e del secondo stadio risonante CLLC bidirezionale DC-DC. Sia dall'immagine che dalla tabella, si può facilmente notare che nel progetto basato sul carburo di silicio è presente una diminuzione dei dispositivi di potenza e dei gate driver superiore al 30% rispetto a quanto avviene per il progetto basato sul silicio, con l'ulteriore vantaggio di una frequenza di commutazione più che raddoppiata. Ciò comporta una riduzione delle dimensioni dei componenti, del peso e dei costi dell'intero sistema di conversione di potenza, che mantiene, tuttavia, una maggiore efficienza.
Tabella 2
Sistema OBC bidirezionale da 22 kW basato su Si o SiC
I risparmi sui costi sono ulteriormente suddivisi nella figura 4 con un'analisi dettagliata dei costi per i sistemi basati su Si e SiC. Il sistema basato sul silicio è quasi il 20% più oneroso rispetto a quello basato sul carburo di silicio e ciò è dovuto principalmente alla quantità relativamente elevata di gate driver e magneti presenti nel blocco DC-DC. Quindi, mentre si può sostenere che i dispositivi di potenza separati basati su SiC sono relativamente più costosi rispetto ai singoli diodi e transistor di potenza basati su Si, quando tali dispositivi vengono integrati in un sistema, le capacità dei dispositivi SiC consentono l'utilizzo di meno componenti, riducendo così i costi dei componenti del circuito necessari per supportare le funzioni dei vari dispositivi di potenza.
Oltre al risparmio sui costi, il sistema SiC è in grado di garantire un'efficienza di picco pari al 97% con una densità di potenza di 3 kW/L, mentre il sistema OBC basato sul silicio raggiunge un'efficienza del 95% con una densità di potenza di soli 2 kW/L. Questo aumento dell'efficienza del sistema potrebbe aggiungere un risparmio energetico medio annuo di $ 40,00 per il consumatore.
Figura 4: analisi dei costi di sistema per OBC bidirezionali da 22 kW con implementazione SiC o Si
La tabella 3 confronta costi, densità di potenza, risparmi operativi e risparmi in termini di CO2 tra le implementazioni basate su Si e SiC di sistemi OBC bidirezionali da 6,6 kW e 22 kW. Il risparmio diventa molto più significativo quanto più aumenta lo spettro di potenza di un OBC. Entrambi gli OBC bidirezionali basati sul SiC da 6,6 kW e 22 kW prevedono un costo BOM inferiore, riducendo, in definitiva, il costo del sistema per l'OEM. Se combinati con i risparmi operativi e i risparmi in termini di CO2 dell'azionamento SiC, le ricadute sul consumatore si fanno sentire, colmando così il divario di prezzo rispetto alle soluzioni basate sui motori a combustione interna e contribuendo anche a ridurre le emissioni dannose per il pianeta.
Tabella 3: vantaggi dei sistemi basati sul SiC
Competenze di Wolfspeed nella tecnologia SiC
L'esperienza più che trentennale di Wolfspeed nella progettazione e nello sviluppo di componenti e sistemi SiC aiuta a ridurre le barriere, consentendo ai progettisti di impiegare componenti molto convenienti basati sul SiC nel loro prossimo OBC. La combinazione dell'ampia gamma Wolfspeed di dispositivi di alimentazione e sistemi SiC e le relative competenze consente il rapido sviluppo di topologie di progettazione robuste che funzionano in modo affidabile sul campo. I sistemi OBC bidirezionali completi sono già disponibili nella gamma di prodotti Wolfspeed, insieme a singoli stadi AC-DC e DC-DC. Tra i prodotti disponibili sono inclusi anche un OBC bidirezionale da 6,6 kW con un'efficienza di sistema del 97% e blocchi convertitori AC-DC e DC-DC per OBC bidirezionali da 22 kW in grado di raggiungere efficienze fino al 98,6% (figura 5).
Figura 5: blocchi AC-DC e DC-DC per OBC bidirezionali da 6,6 kW e 22 kW basati su tecnologia SiC di Wolfspeed
Da una gamma completa di prodotti a un'assistenza dettagliata per ingegnerizzazione e applicazioni, con una piattaforma di simulazione online ed esperti del settore, Wolfspeed offre tutto ciò che serve per la progettazione e lo sviluppo di sistemi SiC. L'offerta si estende anche ai sistemi OBC basati sul SiC di cui gli OEM potranno sfruttare gli aspetti più idonei nel loro prossimo progetto, riducendo i costi e trasferendo i risparmi della distinta base e di una progettazione efficiente ai propri clienti.