GaN per veicoli elettrici

Articolo tradotto da GaN for Electric Vehicles: https://www.powerelectronicsnews.com/gan-for-electric-vehicles/

Transizione energetica e progresso tecnologico richiedono l’utilizzo di materiali ancora inesplorati nei veicoli elettrici (EV) in grado di ridurne i costi ma soprattutto di offrire maggiore efficienza in termini di autonomia.

Tra le sfide che stanno investendo il progresso tecnologico e coinvolgendo altresì diversi mercati assume sicuramente rilevanza quella relativa alla transizione energetica nei veicoli elettrici.

La sfida principale è quella di offrire al consumatore un veicolo quanto più autonomo possibile riducendone il costo: in questa sfida il nitruro di gallio potrebbe essere considerato il silicio del futuro.

Gli sviluppi tecnologici nei veicoli elettrici (EV) stanno portando non solo a ridurne i costi ma soprattutto a collocare sul mercato veicoli dotati di maggiore autonomia così come richiesto dalla maggior parte dei consumatori. La combinazione vincente prevede batterie più potenti, motori elettrici più efficienti e nuove soluzioni a semiconduttore a banda larga per l’intero gruppo propulsore.

Il nitruro di gallio (GaN), per esempio, è un materiale ad ampio bandgap con delle notevoli caratteristiche intrinseche, in grado di offrire numerosi vantaggi e prestazioni migliori.

Dispositivi ad alta densità di potenza e con un peso di sistema inferiore sono due degli approcci per aumentare la portata“, hanno affermato Ahmed Ben Slimane e Poshun Chiu, analisti tecnologici e di mercato presso la Yole Développement (Yole). “Il GaN può risultare maggiormente efficiente a frequenze più elevate, superando le prestazioni dei dispositivi MOSFET Si [silicio], consentendo così una riduzione del numero di componenti passivi nel sistema e aumentando la densità di potenza“.

Ben Slimane e Chiu hanno notato che, a partire dal 2022, il GaN dovrebbe rientrare in piccoli volumi, principalmente legati al campionamento da parte di OEM e Tier 1. “Si prevede che il GaN penetri nei convertitori DC/DC da 48 a 12 V, dove abbiamo assistito alla tendenza a standardizzare i sistemi a 48 V nelle auto EV ibride leggere [MHEV] per aumentare l’erogazione di potenza riducendo le perdite resistive”, ha affermato Ben Slimane e Chiu.

Yole, inoltre, ha individuato un altro mercato che rappresenterebbe una buona opportunità per il GaN, ossia quello dei caricabatterie di bordo (OBC), mercato in cui il GaN è ben posizionato e peraltro potrebbe essere ampiamente utilizzato, altresì, nella gamma dei caricabatterie a bassa potenza (da 3 kW a diverse decine di kilowatt).

Tuttavia, in generale, il GaN competerà con il SiC [carburo di silicio] ed il Si. Il SiC, in particolare, sarà favorito a potenze e tensioni più elevate [più di 1.200 V], soprattutto per l’utilizzo negli inverter” hanno affermato Ben Slimane e Chiu.

Yole prevede addirittura che il mercato automobilistico ed in generale della mobilità dei dispositivi GaN di potenza, supererà i 155 milioni di dollari nel 2026.

L’ingresso del Nitruro di gallio nel mercato di massa

Come ogni nuova tecnologia necessita di una certa affidabilità tecnica e maturità industriale, oltre a un accettabile rapporto prestazioni/costo per l’ingresso nel mercato di massa”, hanno affermato Ben Slimane e Chiu. “Entrando nel mercato dei caricabatterie rapidi, GaN passerà senza dubbio alla produzione ad alto volume e seguiranno economie di scala“.

Il nitruro di gallio ha un bandgap di 3,2 elettronvolt (eV), quasi 3 volte superiore a quello del silicio, che è pari a 1,1 eV. Ciò significa che è necessaria più energia per eccitare un elettrone di valenza nella banda conduttiva del semiconduttore. Sebbene questa proprietà limiti l’uso del GaN nelle applicazioni a bassissima tensione, ha il vantaggio di consentire tensioni di rottura maggiori e una maggiore stabilità termica a temperature più elevate.

Il GaN aumenta notevolmente l’efficienza degli stadi di conversione di potenza, fungendo da valido sostituto del silicio nella produzione di convertitori di tensione ad alta efficienza, MOSFET di potenza e diodi Schottky. Rispetto al silicio, il GaN offre importanti miglioramenti, come una maggiore efficienza energetica, dimensioni più ridotte, peso inferiore e costi complessivi inferiori.

GaN e SiC sono entrambi materiali a banda larga. Sebbene questi materiali offrano prestazioni eccezionali, le loro caratteristiche, applicazioni e requisiti per il pilotaggio del gate sono diversi. Il SiC può competere con i transistor IGBT in applicazioni ad alta potenza e altissima tensione (sopra i 650 V). Allo stesso modo, GaN può competere con gli attuali MOSFET e MOSFET a supergiunzione (SJ) in applicazioni di potenza con tensioni fino a 650 V.

Se ci concentriamo prima sui vari substrati nel GaN di potenza, GaN-on-Si oggi rappresenta la porzione più ampia del mercato, poiché in pochi utilizzano GaN-on-sapphire“, hanno affermato Ben Slimane e Chiu. “Mentre l’industria passa da 6 a 8 pollici, vedremo più competitori sulla piattaforma GaN-on-Si. Attualmente, pochi produttori hanno adottato la piattaforma da 8 pollici. Ad esempio, Innoscience e X-Fab ed altri competitors si stanno preparando per i prossimi anni. E con l’aumentare delle dimensioni del wafer, devono essere risolte alcune sfide sull’epitassia. Per affrontare i problemi di incurvamento del wafer e crepe sulla piattaforma da 8 pollici, vengono applicate complesse strutture epitassiali per compensare la mancata corrispondenza tra reticolo e coefficiente termico. Lo sviluppo di un buon processo epitassiale è della massima importanza, poiché il GaN viene coltivato su un substrato di Si eterogeneo, creando così diversi difetti killer e disomogeneità nell’epistrato.”

Yole ha commentato che anche GaN-on-Si può essere applicato al settore automobilistico. Ma considerando la concorrenza con Si e SiC, GaN potrebbe essere un valido candidato nelle applicazioni di media potenza nel settore automobilistico e della mobilità.

Anche altri substrati emergenti sono interessanti per GaN, ad esempio SOI, QST o GaN bulk“, hanno affermato Ben Slimane e Chiu. “Il potenziale per sviluppare dispositivi di integrazione o verticali dipende dall’applicazione e la tendenza sarà monitorata da vicino per l’evoluzione dei dispositivi GaN. Parlando della catena di approvvigionamento di questi substrati emergenti, è ancora in fase di sviluppo con volumi bassi e probabilmente ci vorrà tempo prima che gli utenti finali adottino nuove tecnologie“.

Yole ha notato che c’è un notevole interesse nell’uso del GaN in applicazioni ad alta potenza, come gli inverter per i veicoli elettrici.

Tuttavia, oggi, il principale HEMT laterale di GaN cresciuto su substrato di Si o zaffiro è ancora soggetto a rotture superficiali, e quindi diversi produttori si stanno concentrando sulla bassa corrente e una tensione intorno a 650 V, con sviluppi in corso per la commercializzazione di dispositivi GaN ad alta tensione“, hanno affermato Ben Slimane e Chiu.

Per applicazioni ad alta potenza, la dimensione del die deve aumentare in una struttura laterale, oppure GaN deve passare a una struttura verticale come SiC e Si IGBT che richiedono un substrato di GaN omogeneo, che è, ad oggi, di dimensioni limitate e ha un costo elevato.

GaN Market (Source: Yole)

L’importanza dell’integrazione

Come già accennato, il mercato dei veicoli elettrici si sta preparando ad affrontare due sfide significative: quella riguardante i costi e quella relativa all’autonomia dei veicoli stessi. Quest’ultima è reputata uno dei requisiti essenziali per la completa conversione dei consumatori verso i veicoli elettrici.

Uno dei metodi per ridurre i costi e aumentare l’efficienza del sistema dei veicoli elettrici sarebbe quello d’integrare il gruppo propulsore. L’integrazione implica, tuttavia, una progettazione meticolosa e una conoscenza approfondita dei concetti di sicurezza e delle potenziali interazioni tra i componenti.

Un’integrazione ridurrebbe anche la necessità della presenza dei materiali di imballaggio che risultano in eccesso ed andrebbe ad eliminare tutto l’hardware ridondante, riducendo significativamente il peso e il volume del sistema.

L’integrazione di sistemi di trasmissione in un involucro meccanico compatto può portare a realizzare veicoli elettrici più convenienti ed efficienti“, ha affermato Ramanan Natarajan, responsabile marketing e applicazioni dei prodotti di alimentazione ad alta tensione presso Texas Instruments. “Le sfide chiave nel far sì che ciò accada includono: (a) riduzione delle dimensioni dei componenti ingombranti come induttori e trasformatori, nonché la dimensione complessiva del PCB, (b) riduzione delle perdite di potenza per semplificare la gestione termica, particolarmente importante quando i due i sistemi che verranno messi insieme funzioneranno simultaneamente come inverter di trazione + convertitore DC/DC HV-BT — e, infine, (c) le considerazioni meccaniche del peso e del fattore di forma, che determinano le prestazioni sotto shock e prove di vibrazione. Con le sue basse perdite di potenza di commutazione, GaN può abilitare propulsori più piccoli, più leggeri ed economici e semplificare l’integrazione.”

La realizzazione e l’integrazione di tali architetture di propulsione richiede altresì l’impiego di microcontrollori in real-time per gestire le sofisticate richieste di conversione di potenza.

Oltre al controllo in real-time, le innovazioni che migliorano l’efficienza includono la gestione di una maggiore densità di potenza. I veicoli elettrici che incorporano tecnologie come la tecnologia GaN qualificata per il settore automobilistico possono aiutare ad estendere l’autonomia di guida operando a una maggiore efficienza e conservando l’energia termica. Tale sistema si tradurrebbe in economia in termini d’impiego di componenti di raffreddamento e d’altro canto anche in termini di costi effettivi.

Redazione Fare Elettronica