In attesa dell’edizone 2020 del Power Fortronic, il punto d’incontro italiano per chi opera nell’elettronica di potenza proponiamo una carellata dei “best of” , una selezione di argomenti e approfondimenti sviluppati durante la scorsa edizione.
La parte centrale dell’evento, ha visto il contributo di due docenti universitari che hanno affrontato due argomenti di estrema attualità.
Il Professor Cecati del “Department of Information Engineering Computer Science and Mathematics” dell’Università de l’Aquila e fondatore della Società Digi Power che ha portato un contributo intitolato “Convertitori Multi Livello; principi, topologie, modulazione e applicazioni”. seguito dal Professor Claudio Bianchini del Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” dell’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia il cui contributo ha sviluppato l’argomento “Nuove tecnologie per motori elettrici e relativo pilotaggio”. I convertitori multilivello rappresentano uno dei temi di ricerca più attuali e di maggior interesse nel campo dell’elettronica industriale di potenza mentre i motori elettrici sono il cuore della rivoluzione legata all’e-mobility; la mobilità elettrica.
Convertitori multilivello (MLC – Multi Level Converter)
Inizialmente sono stati proposti per superare la limitazione in tensione dei componenti utilizzati per la commutazione in applicazioni con potenze e, soprattutto, con tensioni particolarmente elevate, stanno oggi guadagnando in popolarità in molte applicazioni per alcune loro caratteristiche salienti:
- capacità di operare in applicazioni ad elevate potenze e tensioni;
- bassa frequenza di commutazione (se comparato con convertitori PWM a due livelli);
- bassi contenuti di armoniche (che consente di eliminare filtri passivi voluminosi e costosi)
- elevate efficienza: basse frequenze di operazione e basse resistenze di conduzione degli elementi di commutazione grazie al loro basso livello di tensione di breakdown;
- intrinseca modularità.
L’idea chiave alla base dei MLC è quella di adottare sorgenti multiple di tensione e connetterle in serie sotto il coordinamento di un algoritmo di modulazione. La figura 1 mostra l’evoluzione di principio dei convertitori DC/AC dai canonici due e tre livelli ad una configurazione multilivello che, nell’immagine in basso a destra, mostra l’uscita in tensione di un convertitore a nove livelli. Questa tensione di uscita nella modalità di funzionamento inverter presenta forme d’onda “scalettate”, che, approssimando sinusoidi, hanno un basso contenuto di armoniche di tensione e corrente quanti più livelli ha il convertitore;
Le topologie più note sono quelle: “Neutral Point Clamped”, “Flying Capacitor” e “Cascaded H-Bridge”, ma ne esistono numerose altre, gran parte delle quali attualmente in fase di studio, che puntano ad ottenere gli stessi risultati delle topologie sopra richiamate utilizzando un ridotto numero di componenti. In figura 2 viene mostrata la struttura di un convertitore a cinque livelli, in topologia neutral point clamped, insieme alla forma d’onda di uscita e ai livelli logici di pilotaggio dei gate degli IGBT che compongono la struttura.
La presentazione è poi proseguita analizzando il comportamento di convertitori di diversi livelli mostrando e commentando le principali topologie ed alcune recenti evoluzioni analizzando anche alcuni aspetti implementativi quali le strutture di controllo, gli algoritmi di modulazione e le problematiche realizzative.
Nuove tecnologie per motori elettrici
L’interesse per le macchine sincrone a magneti permanenti (PMSM – Permanent Magnet Synchronous Machine) è in continuo aumento nel mondo. Con la crescente domanda globale di energia e la consapevolezza degli aspetti climatici, l’elettrificazione è in aumento in diversi settori. Le machine sincrone a magneti permanenti, che possono operare sia come motori che come generatori, sono richieste nelle più svariate applicazioni: per l’energia eolica, nonché per nuove tecnologie di energia rinnovabile come l’energia delle onde e l’energia delle maree. Un altro mercato emergente per le macchine a magnete permanente usate sia come motori elettrici che come generatori, è quello relativo al settore della trazione elettrica, principalmente per le automobili, ma anche per il trasporto pesante nonché per l’elettrificazione di navi e persino di aerei.
I PMSM sono caratterizzati da maggiore densità di coppia, maggiore efficienza (senza perdite Joule nel rotore e nessuna corrente magnetizzante), alte prestazioni dinamiche (inoltre è possibile utilizzare un elevato numero di poli per aumentare ulteriormente la densità di coppia).
Figura 3 e figura 4 sono l’immagine di apertura e quella centrale della presentazione del Professor Bianchini che ha fornito una visione sulle nuove tecnologie per i motori elettrici e sugli algoritmi per l’ottimizzazione del pilotaggio.
La sicurezza nel Battery Management System
Il contributo di Rutronik Electronics ha confermato il forte impegno che l’azienda sta sviluppando sul fronte della gestione delle batterie – Battery Management System (BMS), una parte particolarmente importante nei veicoli elettrici. Il contributo, portato da Andreas Mangler, Director Strategic Marketing, ha focalizzato l’attenzione sulla sicurezza funzionale basata su soluzioni di diagnostica avanzata.
Lo stato delle batterie passa attraverso l’analisi e il monitoraggio di parametri fondamentali delle singole celle del pacco batterie:
- di carica (SoC – State of Charge);
- la temperatura;
- lo stato di salute (SoH – State of Health).
L’Università Tecnica di Chemnitz ha sviluppato un nuovo metodo, e Rutronik lo ha adottato nel suo sistema di gestione delle batterie (BMS), denominato “Electro Impedance Spectroscopy (EIS)” ovvero l’analisi spettroscopica dell’impedenza della batteria.
Il metodo – delineato in figura 5 – ha mostrato di possedere le seguenti caratteristiche:
- efficienza sperimentale e non invasività;
- di ricavare maggiori informazioni di quanto si possa fare con misure di resistenza, capacità e/o induttanza;
- offre la possibilità di separare gli effetti dominanti in diversi intervalli di frequenza.
PCB e applicazioni di potenza
Un educational, ovvero un intervento il cui obiettivo principale è il trasferimento di know-how, ha visto la presentazione del Professor Albert Schweitzer, portavoce di Fineline, intitolata “Temperature Management of Printed Circuit boards”.
La temperatura eccessiva è alla base del 55% dei guasti degli apparati elettronici, è, quindi, un parametro di vitale importanza per tutti i componenti e, soprattutto, per quelli che per la loro caratteristica funzionale sono soggetti a dissipazioni elevate e soggetti, quindi, se non opportunamente difesi, a soffrire per le elevate temperature a cui sarebbero costretti ad operare. I circuiti stampati sono la prima barriera attraverso cui il calore deve transitare. È quindi necessaria la debita attenzione alla sua realizzazione.
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La resistenza termica
La resistenza termica Rth di un generico parallelepipedo di materiale avente conducibilità l è direttamente proporzionale alla lunghezza l che deve percorrere il calore e inversamente proporzionale alla conducibilità e all’area. Per ridurre il valore di Rth sono possibili tre strade: aumentare l’area A attraverso cui si incanala il calore, aumentare la conducibilità termica l o diminuire la lunghezza del percorso che il calore deve percorrere. Nella tecnologia moderna, dove la miniaturizzazione detta le regole, diventa però impossibile aumentare l’area di dispersione che invece si va via via riducendo. Non resta quindi che operare sugli altri due parametri: aumentare la conducibilità e/o ridurre la lunghezza del percorso che il calore deve superare.
Nella tabellina che accompagna figura 7 è riportata la conducibilità termica di alcuni dei metalli, tipicamente usati in elettronica, e il materiale classico con cui vengono realizzati i circuiti stampati, l’FR4 o vetronite.
Il materiale canonico con cui vengono realizzati i circuiti stampati, l’FR4, ha però una conducibilità termica molto ridotta: 0,3 W/m°K e questo è in generale vero per tutti i supporti usati nella realizzazione di PCB.
Ma i produttori di PCB, maestri nel maneggiare il rame, che funge da conduttore per i segnali elettrici tra i diversi componenti e che gode di una eccellente conducibilità termica, hanno pensato di realizzare delle vie ad alta conducibilità (quella del rame) che potessero fungere da vie di fuga – thermal vias o vie termiche – attraverso il materiale del circuito.
Sono fori realizzati meccanicamente la cui superficie interna viene metallizzata con una deposizione di rame. Devono venire idealmente piazzate sotto il componente e sono realizzate esclusivamente per condurre il calore e non i segnali elettrici. Ma ci sono diversi parametri che vanno studiati per una realizzazione che risponda in modo efficiente al loro obiettivo: il diametro del foro e lo spessore della metallizzazione, il numero delle vias e la distanza tra gli assi delle stesse, se sono riempite di materiale e quale è il migliore per la conducibilità. Fineline produttore di PCB e sponsor dell’educational, con i propri esperti può suggerire le soluzioni ideali.
In figura 8 un esempio di fuga termica, la più canonica con il calcolo della sua resistenza (termica naturalmente!)
SiC, il piatto forte
I dispositivi in silicon carbide (SiC) non possono più essere considerati i figli di una tecnologia emergente, ormai alcuni tra i produttori più quotati – ci riferiamo a Wolfspeed, società del gruppo Cree e alla giapponese Rohm, che hanno portato un contributo al power forum, sono arrivati alla terza generazione dei MOSFET realizzati su SiC.
Nella sua presentazione Rohm ha messo in evidenza come la tecnologia trench (in realtà definita double trench) trasferita ai MOSFET SiC abbia portato a notevoli miglioramenti come evidenziato nella tabella riportata in figura 9. La comparazione avviene tra due dispositivi entrambi a 1200 volt e con dimensione del die equivalente. Una resistenza in conduzione Ron dimezzata, una riduzione del 25%/30% sulle perdite in commutazione e anche una riduzione significativa della carica di gate Qg che riduce significativamente le perdite di pilotaggio.
Wolfspeed, anche lei focalizzata sulla terza generazione di MOSFET SiC ha portato, tra gli altri, l’esempio di un inverter con una densità di potenza volumetria mai raggiunta finora: vedi figura 10. Questo inverter realizzato utilizzando i moduli a mezzo ponte CAB450M12XM3 da 1200V e 450A ‘full SiC’ mostra le seguenti caratteristiche salienti:
- 300 kW di Potenza di uscita di picco,
- Max 900 V DC Bus,
- 360 ARMS massima corrente di fase,
- Compatto e leggero: 9.3 L & 6.2 Kg.
- Densità di Potenza volumetrica: 32 Kw/L
- Efficienza superiore al 98%.
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