Applicazione dei semiconduttori WBG ai sistemi di ricarica per EV

I veicoli elettrici (EV) rappresentano un fattore chiave per il successo della mobilità elettrica (e-mobility), grazie al loro ridotto impatto ambientale e ai costi operativi inferiori rispetto ai tradizionali veicoli con motore endotermico. I sistemi per la ricarica degli EV, essenziali per assicurare l’efficienza e l’autonomia del veicolo, richiedono la conversione dell’energia elettrica da corrente alternata (prelevata tipicamente dalla rete di distribuzione elettrica) a corrente continua. Le tipiche topologie di circuito utilizzate per eseguire questa conversione di energia includono i circuiti raddrizzatori con configurazioni half- e full-bridge e la classica configurazione totem-pole.

Massimizzare l’efficienza

Un tipico circuito per la ricarica EV è composto da uno stadio raddrizzatore, seguito da un convertitore CC-CC. Il classico circuito raddrizzatore, formato da diodi con caratteristica non lineare, offre in genere un fattore di potenza piuttosto ridotto e genera un elevato numero di componenti armoniche indesiderate.

Un elevato valore di efficienza può essere raggiunto soltanto attraverso un’attenta progettazione dello stadio PFC (Power Factor Correction). Al fine di migliorare il fattore di potenza e ridurre le distorsioni armoniche, viene comunemente adottata una soluzione basata sulla correzione attiva del fattore di potenza (APFC). L’APFC è fondamentale per un circuito di commutazione attiva che riceve in ingresso una tensione raddrizzata e la eleva sino a raggiungere un valore prefissato di tensione continua, assicurando che la corrente della linea alternata mantenga la forma d’onda sinusoidale desiderata.

In linea di principio, possiamo affermare che in un circuito PFC ideale la corrente di ingresso “segue” l’andamento della tensione di ingresso, comportandosi come un resistore puro evitando di generare armoniche che si sovrappongono alla corrente di ingresso. Nei dispositivi di potenza, come i circuiti per la ricarica dei veicoli elettrici, il circuito PFC attivo viene implementato utilizzando un convertitore boost. Questo convertitore, visibile in Figura 1, fa sì che la corrente di ingresso venga immagazzinata in un induttore per un certo intervallo di tempo. Successivamente, quando lo switch S si apre, l’energia può raggiungere il condensatore C0 passando attraverso il diodo D. L’induttore si comporta come una sorgente di corrente in serie alla corrente di ingresso, e quindi la tensione di uscita è sempre superiore a quella di ingresso. Con una tensione di ingresso pari a 220-240 VAC si ottengono in uscita oltre 340 V. Si noti inoltre come lo stadio PFC sia sempre seguito da un convertitore DC-DC con l’isolamento dell’uscita rispetto all’ingresso.

Figura 1: schema a blocchi di un tipico stadio PFC boost

Dispositivi wide bandgap

Il circuito di Figura 1 può essere ulteriormente migliorato sostituendo i diodi con dei MOSFET, ciascuno dei quali opera sia come switch, sia come raddrizzatore sincrono. Per questo motivo l’architettura totem pole, priva del classico ponte di diodi, è diventata molto comune. Tuttavia, i MOSFET basati sul silicio presentano dei limiti legati a efficienza, densità di potenza, dimensioni e peso.

La recente disponibilità sul mercato dei dispositivi wide bandgap (come carburo di silicio e nitruro di gallio) ha consentito di implementare nuovi circuiti per la ricarica dei veicoli elettrici. Con una banda proibita due o tre volte maggiore dei componenti basati sul silicio, i dispositivi WBG possono sopportare tensioni e campi elettrici di intensità maggiore, in quanto gli elettroni richiedono più energia per passare dalla zona di interdizione a quella di conduzione.

Di conseguenza, la tensione di breakdown dei semiconduttori WBG è molto più alta, mentre la resistenza nello stato ON è molto piccola. Ciò consente di semplificare il progetto e migliorare l’efficienza del circuito di ricarica. Un valore basso di RDS(ON) consente inoltre di ridurre le perdite di commutazione e di potenza, riducendo l’ingombro del circuito. Un ulteriore vantaggio dei dispositivi WBG è la loro capacità di generare temperature inferiori rispetto ai dispositivi basati sul silicio, a parità di condizioni operative. In un circuito di potenza, un dispositivo SiC può sopportare temperature di giunzione anche superiori a 200°C, mentre la controparte in silicio può arrivare fino a circa 150°C. L’uso dei dispositivi WBG nei caricabatterie per veicoli elettrici consente pertanto di ottenere velocità di commutazione più elevate e una migliore efficienza energetica, che a loro volta si traducono in moduli più compatti e più semplici da raffreddare.

Articolo originale a questo link: https://www.powerelectronicsnews.com/wide-bandgap-application-in-ev-charger/

Redazione Fare Elettronica