Il recente evento Fortronic 2023, tenutosi a Bologna il 16 e 17 novembre, è stato incentrato su prodotti e soluzioni di potenza per la ricarica dei veicoli elettrici. Udo Steinebrunner, product manager di Diotec Semiconductor, ha tenuto una relazione dal titolo “Componenti basati su SiC e Si per circuiti di ricarica EV”. Questo articolo si concentra sugli argomenti trattati nella presentazione di Udo Steinebrunner.
Diotec Semiconductor
Diotec è un’azienda europea produttrice di semiconduttori discreti con Head Quarter a Heitersheim, in Germania, dove sono situate anche tutte le attività di ricerca e sviluppo, la diffusione di wafer e chip di Silicio, l’assemblaggio e il magazzino globale.
Diotec dispone anche di un secondo stabilimento in Slovenia, con la seconda diffusione di wafer e chip di Silicio e di assemblaggio. Altri stabilimenti di proprietà si trovano in India e in Cina. Tutti gli stabilimenti Diotec sono ora dotati di pannelli solari, consentendo all’azienda di coprire circa l’80% del proprio fabbisogno energetico con fonti energetiche proprie e indipendenti.
In Italia, EDO Components è tra le principali aziende partner per la distribuzione.
Vantaggi dei dispositivi di potenza basati su SiC
Si consideri una giornata di sole abbondante, con conseguente produzione di energia rinnovabile, ad esempio attraverso i pannelli fotovoltaici. Questa energia può essere utilizzata mentre un veicolo elettrico (EV) è parcheggiato e collegato al sistema di ricarica, consentendo la carica della batteria. L’energia in eccesso, che possiamo stimare pari a circa l’80%, può essere utilizzata quando il conducente arriva a casa la sera. Quando il veicolo si ricollega alla rete elettrica, questa energia può essere restituita alla rete, fornendo energia per le attività domestiche come l’illuminazione o la visione della TV. La ricarica bidirezionale è una caratteristica importante i dispositivi al carburo di silicio (SiC) svolgono un ruolo significativo per la sua efficienza.
La maggiore efficienza fornita dal SiC può essere attribuita al suo impatto sugli elementi magnetici. La ricarica delle batterie richiede correnti elevate, che in genere richiedono bobine di grandi dimensioni. Per ridurre al minimo le dimensioni, la soluzione consiste nell’aumentare la frequenza di commutazione dei componenti. La sfida consiste infatti nel mantenere un design compatto e snello per i sistemi di ricarica, evitando un ingombro eccessivo.
Diodi
Per capire meglio perché il carburo di silicio rappresenti un vantaggio, analizziamo un diodo tradizionale a recupero rapido basato sul silicio, visualizzato in Figura 1. In particolare, l’ESW6004 è un diodo a recupero rapido da 60A e 400V con un tempo di recupero inverso di 32 ns. La caratteristica relativa alla transizione dallo stato on allo stato off, indicata dall’area tratteggiata in rosso in Figura 1, determina le perdite di potenza. Le perdite di commutazione possono essere elevate e aumentare ulteriormente con il crescere della frequenza, causando la generazione di calore eccessivo da parte del dispositivo.
Figura 1: Perdite di commutazione in un diodo a recupero rapido basato sul silicio (Fonte: Diotec Semiconductor)
Esaminando un dispositivo al carburo di silicio, come il SICW 40C120, un raddrizzatore SiC da 40A e 1.200V, si nota che le perdite di commutazione sono quasi trascurabili, anche se non del tutto assenti. Ciò è rappresentato dal picco ridotto visibile in Figura 2, che risulta in perdite significativamente inferiori rispetto a un diodo al silicio. Ciò indica che, soprattutto per frequenze di commutazione estremamente elevate, i dispositivi al carburo di silicio rappresentano la scelta migliore.
Figura 2: Perdite di commutazione in un diodo SiC (Fonte: Diotec Semiconductor)
Esaminando i valori della tensione diretta (VF) dei due diodi, si nota come il diodo SiC abbia una tensione diretta superiore rispetto al diodo al silicio (2,0V contro 1,4V); questo aspetto rappresenta uno svantaggio del carburo di silicio. Ciò implica che, in caso di funzionamento in corrente continua o a bassa frequenza, l’utilizzo di diodi al carburo di silicio non sarebbe vantaggioso, in quanto i dispositivi tradizionali al silicio rappresentano una scelta migliore.
MOSFETs
Quando si tratta di MOSFET SiC, l’obiettivo è quello di operare a una frequenza estremamente elevata. Alle alte frequenze, anche le induttanze più piccole possono creare dei problemi. Tali induttanze includomo il wire bonding all’interno del componente e del package che, in presenza di correnti molto elevate e velocità di commutazione rapide, può creare problemi durante l’attivazione del componente.
La soluzione a questa sfida è il package per MOSFET a sorgente Kelvin, visibile in Figura 3. Questo package incorpora una speciale connessione con il terminale source all’interno del componente e del package stesso. Separando il percorso di pilotaggio da quello di alimentazione, si ottiene il vantaggio che il MOSFET può essere attivato più rapidamente, eliminando l’impatto dell’induttanza di collegamento. Inoltre, un’attivazione più rapida riduce il rischio di accensioni errate del MOSFET e migliora la sicurezza durante lo spegnimento. In definitiva, questo MOSFET a sorgente Kelvin, soprattutto a frequenze di commutazione molto elevate, si dimostra un dispositivo superiore rispetto alle configurazioni tradizionali.
Figura 3: Vantaggi del package a sorgente Kelvin per MOSFET SIC (Fonte: Diotec Semiconductor)
Raddrizzatore a ponte
Consideriamo ora un caricabatterie standard, come il comune wall box presente in molte case. Sebbene il wall box abbia una potenza nominale di 3kW, il consumo tipico è di 1kW. Un componente chiave del wall box è il raddrizzatore a ponte. Quando, ad esempio, si utilizza il componente Diotec GBU10K in un caricabatterie da 1kW, esso assorbe circa 4A dalla rete elettrica. Con una caduta di tensione di 0,98 V per diodo e solo due diodi in conduzione per semionda, i calcoli indicano una perdita di potenza nel ponte pari a 7,8 W.
Diotec ha introdotto un nuovo raddrizzatore a ponte, il GBU10K-LV, caratterizzato da una tensione diretta inferiore, pari a 0,87V. Rieseguendo i calcoli, le perdite di potenza complessive del ponte si riducono a 6,7W. Considerando la diffusione di queste wall box nelle case, il mercato totale disponibile è attualmente di circa 120 milioni di unità. Supponendo che il 10% di queste wall box sia dotato del nuovo raddrizzatore a ponte a bassa potenza, i nostri calcoli rivelano un potenziale risparmio energetico di circa 58 milioni di chilowattora in tutto il mondo, semplicemente adottando un raddrizzatore a ponte diverso. Si tratta di un risultato impressionante, e stiamo parlando di un solo ponte raddrizzatore.
Protezione load dump
Un altro componente cruciale per i veicoli elettrici è il sistema di protezione contro il load dump. I veicoli elettrici sono dotati non solo di una batteria principale ad elevata capacità ed alta tensione, ma anche di una batteria tradizionale a 12 V che serve per alimentare sistemi ausiliari come il display del sistema infotainment, le luci, i tergicristalli e altro ancora. Questa batteria è anche utilizzata per alimentare lo switch checollega e scollega il sistema ad alta tensione quando l’auto viene accesa oppure spenta. Per questo motivo, i veicoli elettrici possono avviare, utilizzando i tradizionali cavi, le auto con motore a combustione e viceversa.
Durante questa operazione, esiste il rischio potenziale di un fenomeno noto come “load dump”, che comporta la generazione di un picco di tensione transitorio quando la batteria viene scollegata mentre l’alternatore è collegato. Questo picco di tensione, che può raggiungere circa 100 V, mette a rischio l’elettronica del veicolo. Per questo motivo, è indispensabile che ogni veicolo elettrico sia dotato di una protezione contro il load dump.
Il diodo di protezione dal load dump limita questo picco di tensione a circa 35 V, un valore che rientra nell’intervallo accettabile per l’elettronica del veicolo. Diotec offre diversi dispositivi di protezione contro il load dump, tra cui l’LDP01 (potenza di picco di 4,6kW), l’LDP02 (5kW) e l’LDP03 (6,6kW), attualmente in fase di sviluppo. Tutti questi componenti sono disponibili nel package standard TO-263AB, a differenza della maggior parte dei dispositivi sul mercato che utilizzano il package DO-218. Il package TO-263AB ha il vantaggio di poter essere prodotto in grandi volumi, con una significativa riduzione dei costi.
Protezione ESD
In inverno, quando l’aria è secca, se tocchiamo la maniglia della nostra auto, possiamo prendere una scossa elettrica. Per gli esseri umani ciò non costituisce un problema, trattandosi soltanto di una piccola scossa. Tuttavia, per l’elettronica potrebbe essere un problema serio, in quanto la scarica elettrostatica (ESD) può distruggere i componenti elettronici. Parlando del cavo di ricarica, è chiaro che dobbiamo toccarlo e c’è il rischio che, così facendo, si crei un ESD sull’elettronica del nostro sistema di ricarica EV e ciò deve essere evitato.
Diotec offre due componenti con protezione ESD integrata. L’MMFTN620KD-AQ è un doppio MOSFET con diodi di protezione integrati. Quando si verifica un evento ESD, il dispositivo non viene danneggiato. ESDALC208 è invece un array ESD che può essere utilizzato per proteggere le linee di segnale e di dati dalle ESD. Questi componenti sono essenziali nell’elettronica di ricarica EV per evitare danni causati da ESD.
Per maggiori informazioni, contattare Edo Components
