I vantaggi di prestazioni che i dispositivi al carburo di silicio (SiC) offrono ai veicoli elettrici (EV) e alle applicazioni solari fotovoltaiche (FV) sono ben noti. Tuttavia, i vantaggi materiali del SiC possono essere potenzialmente sfruttati in altre applicazioni e la protezione degli impianti elettrici è una di queste. Questo articolo passa in rassegna gli sviluppi in questo campo, compresi i vantaggi della protezione meccanica rispetto agli interruttori automatici allo stato solido (SSCB) realizzati con diversi dispositivi a semiconduttore. Infine, discuteremo perché il SiC diventerà un’opzione sempre più interessante per gli interruttori SSCB.
Protezione delle infrastrutture e delle apparecchiature elettriche
I sistemi di trasmissione e di distribuzione elettrica e le apparecchiature sensibili richiedono la protezione dal sovraccarico prolungato e dalle condizioni di cortocircuito transitorio. Con i sistemi elettrici e i veicoli elettrici che utilizzano tensioni sempre più elevate, le correnti di guasto potenziali massime sono più elevate che mai. La protezione da questi guasti ad alta corrente richiede interruttori automatici AC e DC ultrarapidi. Mentre gli interruttori meccanici sono stati tradizionalmente la scelta più diffusa per questa applicazione, i requisiti operativi sempre più esigenti hanno reso più popolari gli interruttori allo stato solido. Comunemente indicati come SSCB, essi presentano numerosi vantaggi rispetto agli approcci meccanici:
- Robustezza e affidabilità: gli interruttori meccanici contengono parti mobili che li rendono fragili. Ciò significa che possono rompersi facilmente o incepparsi accidentalmente a causa del movimento e sono soggetti a usura ogni volta che vengono riarmati nel corso della loro vita. Al contrario, poiché gli SSCB non contengono parti mobili, sono più robusti e molto meno soggetti a danni accidentali, e ciò ne consente l’utilizzo ripetuto per migliaia di cicli.
- Flessibilità di temperatura: la temperatura di esercizio degli interruttori meccanici dipende dal materiale utilizzato per realizzarli e ne limita la temperatura di esercizio, mentre le temperature operative degli SSCB sono più alte di quelle degli interruttori meccanici e inoltre sono impostabili.
- Configurazione remota: una volta che un interruttore meccanico è scattato, una persona deve reimpostarlo manualmente, e ciò può richiedere molto tempo e denaro, soprattutto se gli interruttori sono distribuiti su più installazioni, e possono inoltre essere presenti implicazioni per la sicurezza. Gli interruttori SSCB possono essere ripristinati da remoto utilizzando una connessione cablata o wireless.
- Commutazione più rapida e assenza di archi: quando un interruttore meccanico viene azionato, possono verificarsi archi elettrici e fluttuazioni di tensione tali da danneggiare gli apparecchi collegati alla rete. È possibile proteggersi contro gli effetti di questi picchi di tensione induttivi e delle correnti di spunto capacitive tramite l’utilizzo di tecniche di soft-start negli interruttori SSCB, con commutazione molto più rapida in caso di guasto e tempi nell’ordine di alcuni microsecondi.
- Regolazione flessibile della corrente nominale: gli interruttori automatici meccanici sono caratterizzati da una corrente nominale fissa, mentre per gli SSCB le correnti nominali sono programmabili.
- Dimensioni e costi ridotti: rispetto agli interruttori meccanici, gli SSCB hanno un peso ridotto, sono notevolmente più leggeri e occupano meno spazio.
Limitazioni degli interruttori SSCB esistenti
Sebbene gli SSCB offrano vantaggi rispetto agli interruttori meccanici, essi presentano alcuni svantaggi, come i valori nominali di tensione/corrente limitati, maggiori perdite di conduzione e un costo superiore. Gli interruttori SSCB sono comunemente basati su TRIAC (raddrizzatori controllati al silicio) per le applicazioni in AC o su MOSFET planari standard per i sistemi in DC. I TRIAC o i MOSFET eseguono la funzione di commutazione, mentre i driver optoisolati fungono da elemento di controllo. Tuttavia, gli SSCB ad alta corrente basati su MOSFET richiedono dissipatori di calore in presenza di correnti di uscita elevate, e ciò significa che non possono raggiungere gli stessi livelli di densità di potenza degli interruttori meccanici.
Allo stesso modo, i dissipatori di calore sono richiesti anche per gli SSCB realizzati utilizzando transistor bipolari a gate isolato (IGBT), in cui la tensione di saturazione provoca un’eccessiva perdita di potenza per correnti superiori a poche decine di ampere. Ad esempio, a 500A, una caduta di tensione di 2V su un IGBT dissiperebbe 1000W. Per queste classi di potenza, un MOSFET richiederebbe una resistenza di on di circa 4mΩ.
Un tale livello di resistenza non è attualmente raggiungibile con dispositivi singoli, considerando che nei veicoli elettrici i valori di tensione si attestano attualmente attorno a 800V (e oltre). Mentre tali valori potrebbero teoricamente essere ottenuti collegando dei dispositivi in parallelo, un simile approccio aumenterebbe notevolmente le dimensioni e il costo della soluzione, e ancora di più nei casi in cui occorre adattare il flusso di corrente bidirezionale.
Utilizzo di moduli di potenza SiC per realizzare SSCB di nuova generazione
Un die SiC può essere fino a dieci volte più piccolo del suo equivalente in silicio a parità di tensione nominale e di RDS(on). Inoltre, i dispositivi SiC sono in grado di commutare almeno cento volte più velocemente e di operare in presenza di temperature di picco più che doppie rispetto al silicio. Allo stesso tempo, la sua conducibilità termica più elevata ne rende il funzionamento più robusto in corrispondenza dei livelli alti e bassi.
Onsemi ha sfruttato queste proprietà nella propria gamma di moduli di alimentazione EliteSiC con valori di RDS(on) di soli 1,7mΩ per dispositivi da 1200V. Questi moduli integrano da due a sei MOSFET SiC in un unico package.
La tecnologia a die sinterizzato (che unisce due singoli die all’interno di un package) offre prestazioni affidabili del prodotto anche in corrispondenza di livelli di potenza elevati. La commutazione rapida e l’elevata conducibilità termica di questi dispositivi consentono di “arrestare” (circuito aperto) in modo rapido e sicuro un carico in caso di guasto, interrompendo il flusso di corrente fino al ripristino delle normali condizioni operative.
Moduli di questo tipo mostrano come sia sempre più possibile integrare più dispositivi MOSFET SiC in un unico package, per fornire i bassi valori di RDS(on) e gli ingombri ridotti richiesti per le applicazioni pratiche degli interruttori automatici. Inoltre, onsemi offre MOSFET EliteSiC e moduli di alimentazione che supportano tensioni comprese tra 650V e 1700V, e ciò consente di adattarli anche per gli interruttori SSCB in applicazioni domestiche, commerciali e industriali monofase e trifase.
La filiera SiC integrata verticalmente di onsemi offre prodotti con difetti pressoché nulli che vengono sottoposti a test di affidabilità completi per i produttori di SSCB.
La figura 1 mostra l’implementazione di un interruttore SSCB in un modulo con più die SiC da 1200V e con più switch in parallelo in una configurazione back to back per ottenere valori minimi di RDS(on) e per minimizzare le dissipazioni termiche. I moduli completamente integrati come quelli illustrati qui di seguito con posizione dei pin e layout ottimizzati contribuiranno a ridurre gli effetti parassiti e a migliorare le prestazioni di commutazione e i tempi di risposta ai guasti. Le soluzioni di onsemi – distribuite da Avnet Silica – comprendono un ampio portafoglio di moduli SiC con tensioni nominali di 650V, 1200V e 1700V, tra cui moduli con e senza base-plate a seconda delle esigenze dell’applicazione finale e dei requisiti di efficienza.
