Il SiC guida la transizione verso il bus ad alta tensione negli EV

Mentre il silicio è prossimo al suo limite teorico di prestazioni, i dispositivi di potenza SiC hanno ormai raggiunto un elevato grado di affidabilità e maturità, offrendo al settore automotive una commutazione rapida e un livello di efficienza senza precedenti. Questo articolo, basato su un’analisi condotta da PGC Consultancy, spiega come il SiC svolgerà un ruolo essenziale nella transizione, sui veicoli elettrici, dal bus a 400V verso quello a 800V e oltre.

In un precedente articolo, sono stati analizzati i costi di un dispositivo al carburo di silicio, giustificando il motivo per cui un MOSFET SiC ha un costo da 2 a 3 volte superiore rispetto a un IGBT al silicio di pari prestazioni, avanzando alcune ipotesi su come tale costo potrà ridursi nel tempo.

Caratteristiche dei dispositivi di potenza

I MOSFET SiC di ultima generazione di diversi produttori e con tensioni nominali di 650V, 1200V e 1700V, sono stati caratterizzati come mostrato in Figura 1, dove la resistenza di ON specifica è stata misurata per diversi valori di tensione nominale. Nell’analisi sono stati inclusi, come termine di paragone, anche alcuni MOSFET e IGBT al silicio.

Figura 1: caratteristiche di alcuni dispositivi di potenza Si e SiC

Nel grafico, le linee diagonali rappresentano i limiti unipolari di ciascun materiale, ovvero il minimo valore possibile di resistenza per ogni tensione nominale. A causa della pendenza molto ripida di queste rette, un aumento di 2 volte della tensione di breakdown di un MOSFET comporta un incremento della resistenza di ON specifica del dispositivo pari a circa 4,5 volte.

Come già evidenziato nel precedente articolo, un valore basso di resistenza di ON specifica è un fattore essenziale per ridurre il costo dei dispositivi di potenza SiC. Quando si osserva il grafico, occorre tenere presente che, anche se si trova lontano dal limite unipolare ideale, un dispositivo può comunque fornire delle buone prestazioni.

Tuttavia, poiché la dimensione del die sarà maggiore, il suo costo sarà superiore. Ecco perché, per massimizzare la resa, i produttori tendono a far sì che le caratteristiche del dispositivo seguano il più possibile il limite unipolare.

Dispositivi SiC e Si a confronto

Come mostrato in Figura 1, i dispositivi al silicio di ultima generazione si comportano molto bene, come evidenziato dal fatto che la maggior parte di essi si trova in prossimità del limite unipolare. Tuttavia, il silicio inizia a mostrare i suoi limiti al di sotto di 100 V, dove le resistenze fisse dovute al substrato, al JFET e al canale iniziano ad assumere un peso determinante nella resistenza totale del dispositivo.

Anche se i due IGBT esaminati si trovano al di sotto del limite unipolare del silicio, essi comportano delle perdite di commutazione maggiori rispetto agli altri dispositivi. Prima dell’avvento del SiC, i progettisti avevano a disposizione due opzioni, entrambe basate sul silicio: i MOSFET con frequenza di commutazione elevata ma operanti a bassa tensione, oppure gli IGBT con frequenze di commutazione più basse ma operanti a media e alta tensione.

Relativamente ai dispositivi SiC di Figura 1, si può osservare come essi abbiano una dispersione significativa all’interno di ciascuna classe di tensione. Ciò che i dispositivi con resistenza di ON più bassa hanno in comune sono le elevate correnti nominali.

Questi dispositivi hanno package di dimensioni maggiori ed includono ampie aree attive per la conduzione della corrente, mentre una parte ridotta del chip è riservata per il pad e per i terminali.

Come previsto, i dispositivi introdotti più recentemente sul mercato sono quelli che ottengono le prestazioni migliori. Inoltre, c’è una chiara tendenza che indica che alcuni produttori stanno sovradimensionando i loro dispositivi, nel senso che essi sarebbero in grado di sopportare tensioni notevolmente superiori a quelle nominali.

I MOSFET SiC con tensione nominale di 650V non sono poi così vicini al proprio limite unipolare. La loro resistenza ON è sufficientemente elevata da consentire alle attuali varianti di IGBT da 650V a trincea a interruzione di campo di ottenere perdite di conduzione inferiori rispetto ai MOSFET SiC.

Tuttavia, quando entrambi i dispositivi operano alla stessa frequenza di commutazione, questo piccolo aumento delle perdite di conduzione risulta trascurabile rispetto alle maggiori perdite di commutazione degli IGBT.

Questo aspetto ha consentito a Tesla di realizzare una soluzione a 650V con elevata efficienza e frequenza di commutazione. L’inverter che equipaggia la Model 3 del 2018 pesa circa il 40% in meno di quello impiegato sulla Nissan Leaf, generando una potenza almeno due volte superiore.

I vantaggi in termini di efficienza hanno consentito di ridurre il numero e il peso delle batterie richieste dal veicolo, con un risparmio sui costi dei relativi componenti.

A 1200V, i MOSFET SiC dimostrano le loro caratteristiche superiori, in quanto la resistenza di ON specifica è più vicina al limite unipolare del SiC, circa 14-33 volte al di sopra di esso, rispetto alle 35-90 volte della versione a 650V.

Come mostrato in Figura 2, un MOSFET SiC da 650V offre una densità di potenza doppia e perdite di commutazione 6,5 volte inferiori rispetto a un IGBT Si da 650V.

Queste differenze sono amplificate a tensioni più elevate, dove un dispositivo SiC da 1200V raggiunge una densità di potenza 16 volte maggiore e perdite di commutazione 11 volte inferiori rispetto a un IGBT Si da 1200V.

Figura 2: confronto tra MOSFET SiC e IGBT Si equivalenti

La transizione verso il bus a 800V

La transizione del bus da 400V a 800V offre diversi vantaggi nel mercato dei veicoli elettrici. A parità di potenza, una tensione doppia consente infatti di ridurre del 50% il flusso di corrente. Ciò si traduce in tempi di ricarica inferiori, poiché la batteria non si surriscalda.

Inoltre, possono essere utilizzati motori più piccoli e leggeri grazie alla riduzione degli avvolgimenti in rame e possono essere utilizzati cavi più leggeri e sottili per la conduzione della corrente elettrica.

Questi benefici comportano un impatto significativo sull’efficienza complessiva del sistema, sull’estensione dell’autonomia (oppure sulla dimensione della batteria e sulla riduzione del peso, a parità di autonomia) e sulla riduzione dei costi del sistema.

Dall’analisi dei dispositivi SiC attualmente in commercio appare chiaro come il carburo di silicio giochi un ruolo chiave nella transizione verso il bus a 800V nei veicoli elettrici. A 1200V, il SiC inizia ad esibire caratteristiche superiori rispetto al silicio, i cui dispositivi IGBT vengono ancora utilizzati per ragioni di affidabilità, riutilizzo di progetti esistenti, o per seguire un approccio conservativo.

Conclusioni

In sintesi, la tecnologia al silicio ha ormai raggiunto la piena maturità con i dispositivi MOSFET e IGBT di ultima generazione. I MOSFET SiC, pur essendo dei dispositivi la cui introduzione è relativamente recente, dopo solo un decennio sono giunti alla terza generazione, dimostrando di avere prestazioni pari o superiori a quelle degli IGBT al silicio. I risultati della ricerca confermano quanto PGC Consultancy sostiene da tempo: se le prestazioni offerte dai dispositivi SiC sono già ottime a 650V, esse migliorano a tensioni di 1200V e oltre. Si prega di visitare il sito PGC Consultancy per la versione completa dell’articolo e per maggiori

Redazione Fare Elettronica