Dal punto di vista tecnologico, i veicoli elettrici rappresentano una grande opportunità per la riduzione dell’impronta di carbonio. Ciò è dovuto principalmente all’elevata efficienza, prossima al 95%, ottenuta nel processo di conversione dell’energia elettrica fornita dalle batterie in energia meccanica utilizzabile per la trazione del veicolo. Al raggiungimento di questi elevati livelli di efficienza contribuiscono in modo determinante i dispositivi di potenza wide bandgap, come SiC e GaN, utilizzati negli inverter, nei convertitori di tensione e nell’onboard charger (OBC).
Nei prossimi anni, il mercato dei veicoli elettrici (EV) è previsto in forte crescita. Nel 2021, i veicoli elettrici hanno rappresentato circa il 5% delle nuove immatricolazioni negli Stati Uniti, ma si prevede che questa percentuale supererà il 50% nel 2030. Questa crescita della domanda è motivata da una combinazione di incentivi governativi e da un crescente interesse e sensibilità dei clienti nei confronti dei veicoli ad alta tecnologia in grado di ridurre le emissioni globali di CO2.
L’efficienza come fattore chiave
Il miglioramento di un’elevata efficienza energetica è un fattore chiave dal quale dipende l’intero successo della mobilità elettrica. Ai tradizionali dispositivi di potenza basati suI silicio, come MOSFET e IGBT, si sono affiancati negli ultimi anni i semiconduttori wide bandgap, come carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN).
In un veicolo elettrico, l’efficienza raggiunge tipicamente il valore massimo in condizioni di pieno carico. Pur avendo un’efficienza maggiore rispetto al motore a combustione interna, il motore elettrico offre un’autonomia inferiore a causa della limitata densità energetica delle batterie EV. Ciò implica che il consumo energetico di tutti i componenti o sistemi installati nel veicolo elettrico deve essere ridotto al minimo. In altre parole, l’efficienza di tutti i sistemi dell’auto deve essere aumentata a costi ragionevoli, soddisfacendo i requisiti di spazio e peso imposti dal settore automotive.
L’intensità del campo elettrico del SiC e del GaN è pari, rispettivamente, a 2,8 MV/cm e 3,5 MV/cm (si osservi la Figura 1). Rispetto al silicio (0,3 MV/cm), questa maggiore intensità del campo elettrico consente di applicare sul substrato del semiconduttore una struttura di strati epitassiali più sottili, riducendo la resistenza superficiale del componente, che a sua volta comporta una significativa riduzione delle perdite.
Inoltre, SiC e GaN offrono tempi di commutazione più rapidi, riducendo notevolmente le perdite di commutazione e consentendo l’utilizzo di elevate frequenze di commutazione. Ciò consente di ridurre la dimensione dei componenti passivi, come induttori e condensatori.
Applicazioni del carburo di silicio (SiC)
Rispetto al silicio, il SiC offre alcuni importanti vantaggi, come il campo elettrico critico più elevato e una maggiore conduttività termica. I tre fattori principali che stanno guidando l’utilizzo del SiC nelle applicazioni automobilistiche sono i seguenti:
- La progressiva introduzione dei sistemi di ricarica rapida (in Figura 2 è visibile il super charger di Tesla) richiede componenti in grado di operare ad elevate tensioni (1200 V o superiori). Il SiC è una tecnologia adatta a queste tensioni grazie alla sua elevata tensione di breakdown. Inoltre, negli OBC e nei convertitori DC-DC, una riduzione fino al 50% delle perdite di potenza implica minori costi per l’utente finale per l’operazione di ricarica;
- A parità di topologie, il SiC offre un miglioramento dell’efficienza dal 6 al 10% rispetto ai convertitori IGBT basati sul silicio. Inoltre, le minori perdite di conduzione del SiC rappresentano un vantaggio chiave, soprattutto in condizioni di carico parziale, per l’inverter principale degli EV, ovvero l’inverter che converte l’elevata tensione DC delle batterie in tensione alternata per muovere il motore elettrico trifase. Le condizioni di carico parziale si verificano per circa il 90% del tempo di funzionamento dell’inverter, in particolare per la guida in città. Questa maggiore efficienza si traduce in un incremento dell’autonomia o in dimensioni più ridotte della batteria (riduzione dello spazio e dei costi);
- I nuovi processi di fabbricazione del SiC, con wafer da 200 a 300 mm, consentirà di raggiungere una migliore resa e ridurrà i costi di produzione sino a renderli paragonabili a quelli del silicio.
Un’altra proprietà significativa del SiC è l’elevata conduttività termica, circa tre volte migliore rispetto al silicio, che consente ai dispositivi di potenza di operare a temperature medie e di picco molto più elevate, richiedendo un dissipatore di calore minimo.
Applicazioni del nitruro di gallio (GaN)
Il nitruro di gallio ha una banda proibita di 3,2 elettronvolt (eV), quasi tre volte superiore a quella 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 maggiori tensioni di rottura e una maggiore stabilità termica a temperature più elevate.
Il GaN aumenta notevolmente l’efficienza degli stadi di conversione di potenza, fungendo da prezioso 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 ridotte, peso inferiore e costi complessivi inferiori.
Il GaN offre buone opportunità di utilizzo nei convertitori DC-DC da 48 V a 12 V, grazie alla diffusa tendenza dei costruttori di adottare bus a 48V nelle auto EV ibride leggere per aumentare l’erogazione di potenza e ridurre le perdite resistive.
Un altro mercato che rappresenta una buona opportunità per il GaN è il caricabatterie di bordo (OBC), in cui il GaN è molto ben posizionato per penetrare la gamma di prodotti con potenze più basse (da 3 kW a diverse decine di kilowatt). I produttori chiedono a questi sistemi di fornire sempre più potenza per ridurre i tempi di ricarica dei veicoli elettrici, ma senza aumentare le loro dimensioni, visto che lo spazio disponibile nell’auto non può essere compromesso. La chiave per ottenere un’elevata densità di potenza è mantenere un funzionamento efficiente a frequenze di commutazione elevate. I transistor GaN possono commutare a più di 100 V/ns e hanno zero reverse recovery. Di conseguenza, hanno perdite di potenza di commutazione estremamente basse.
Recentemente, c’è stato un notevole interesse nell’utilizzo del GaN in applicazioni ad alta potenza, come gli inverter per i veicoli elettrici. Tuttavia, la tecnologia attualmente utilizzata per realizzare dispositivi di potenza basati su GaN è oggi l’HEMT GaN laterale cresciuto su substrato di silicio o zaffiro. Poiché essa è suscettibile alla rottura superficiale, i produttori di chip si stanno focalizzando soprattutto su dispositivi GaN a bassa corrente con tensione intorno a 650 V.
Per applicazioni ad alta potenza, si dovrebbe aumentare a dismisura la dimensione del die in una struttura laterale, oppure il GaN dovrebbe passare a una struttura verticale. Sviluppi in questo senso sono già in atto presso alcune startup e produttori di semiconduttore.
L’efficienza fornita dal GaN riduce il costo del sistema e aumenta la densità di potenza complessiva riducendo le dimensioni dei componenti magnetici e il peso del veicolo, aumentandone l’autonomia. Il GaN consente inoltre agli ingegneri HEV/EV di raggiungere una densità di potenza fino al doppio rispetto alle soluzioni esistenti, una ricarica più rapida della batteria, un funzionamento più affidabile e una maggiore efficienza complessiva nei sistemi di ricarica a bordo dei veicoli elettrici.
Conclusioni
GaN e SiC sono entrambi materiali wide bandgap. Sebbene questi semiconduttori offrano prestazioni superiori, le loro caratteristiche tecniche e possibili applicazioni sono diverse. Il SiC può competere con i transistor IGBT in applicazioni ad alta potenza e altissima tensione (oltre 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.
