La ricerca di un’alternativa ai combustibili fossili ha indotto le case automobilistiche a sviluppare autoveicoli più ecologici. Se da un lato vi è stata una notevole attenzione su questa evoluzione, dall’altro vi è stato un interesse altrettanto forte sugli sviluppi nel settore delle moto elettriche all’avanguardia. L’interesse è tale che in molti tra i più blasonati campionati di super-bike a livello mondiale, come ad esempio il Tourist Trophy, la road race che si svolge ogni anno sull’isola di Man, prevede gare specifiche per le maximoto elettriche (e-bike). La progettazione di una moto elettrica per il tradizionale uso stradale presenta una serie di problemi, esattamente come nel caso di ogni veicolo elettrico, ma la situazione si complica quando si deve realizzare una moto che deve affrontare un ambiente dinamico e impegnativo come quello delle corse motociclistiche. Il progetto deve garantire la possibilità di resistere a condizioni estreme - in termini di sollecitazioni, vibrazioni e temperature - e i circuiti elettronici, i componenti e il motore stesso devono affrontare condizioni altrettanto severe dal punto di vista elettrico. Senza dimenticare che lo spazio disponibile attorno al telaio nel quale integrare batterie, componentistica elettronica e motore è alquanto limitato. La necessità di ricorrere al raffreddamento forzato per alcuni dei componenti principali contribuisce ad aumentare l’elenco dei problemi che il team di progettazione deve risolvere. Consapevole delle sfide da affrontare, l’Università di Nottingham ha colto l’opportunità di riunire le competenze di diversi Dipartimenti all’interno dell’ateneo dando vita nel 2015 a una squadra corse finalizzata allo sviluppo di una superbike elettrica. Con l’obiettivo di superare i limiti della tecnologia esistente, sperimentare nuove idee e promuove un più stretto legame tra Università e mondo del lavoro, il team ha conseguito risultati lusinghieri. Per contestualizzare il progetto, la superbike pesa 245 kg e può raggiungere una velocità massima di 350 km/h. il pacco batterie fornisce una tensione di 500 Vdc prelevata da una fonte di energia da 12,5 kWh e può fornire una potenza di picco di 240 kWh. Il pilotaggio del motore trifase è affidato al convertitore di potenza. I transistor Igbt vengono utilizzati negli stadi finali degli inverter ad alta potenza per pilotare il motore alla tensione di picco di 500 V. A loro volta questi ricorrono a circuiti integrati per il pilotaggio del gate alimentati da convertitori Dc-Dc isolati. In condizioni di pilotaggio dinamico, la tensione di pilotaggio del motore varia continuamente tra 0 e 500 V e la dV/dt (ovvero la velocità di variazione della tensione in funzione del tempo) delle forme d’onda dei transistor Igbt può raggiungere i 10kV/µs. Un ambiente così severo dal punto di vista elettrico può provocare un gran numero di malfunzionamenti, ragion per cui è indispensabile isolare gli ingressi di controllo a bassa tensione dalle uscite ad alta tensione. Per questo motivo è necessario minimizzare l’accoppiamento capacitivo tra ingresso e uscita. Poiché l’ambiente elettrico è molto rumoroso, minimizzare le caratteristiche di accoppiamento riduce la probabilità che i transitori Emi “ritornino” verso gli stadi di ingresso. Nel caso ciò non si verificasse, sussiste il rischio di un errore nella fase di innesco degli Igbt con conseguenze potenzialmente catastrofiche sia per il pilota sia per la moto.
Affidabilità totale
Nello sviluppo dei circuiti per il pilotaggio del gate i progettisti devono assicurarsi che i convertitori Dc-Dc utilizzati siano caratterizzati da un’elevata affidabilità e non si guastino sotto carico. Solitamente i produttori sottopongono a collaudo un prodotto per verificare la rottura dei materiali di isolamento eseguendo un test “Flash” o “HiPot”. Sebbene un collaudo di questo tipo sia in grado di dare un’informazione di carattere generale circa la capacità di un dispositivo di resistere a un transitorio ad alta tensione, non fornisce alcuna indicazione circa la sua capacità di resistere ad alte tensioni applicate in modo continuativo. Per questo motivo Murata Power Solutions ha deciso di utilizzare una tecnica conosciuta sotto il nome di caratterizzazione della scarica parziale (partial discharge) per tracciare il profilo dei propri convertitori Dc-Dc utilizzati per il pilotaggio del gate degli Igbt e consentire di effettuare una predizione più affidabile circa la loro capacità di funzionare in modo continuo quando sottoposti a tensioni di valore elevato come accade in condizioni di pilotaggio reale. Le scariche parziali si presentano sotto forma di scariche elettriche che si verificano a livello delle cavità, dei vuoti d’aria e delle micro fessure presenti all’interno di un materiale di isolamento. Con il trascorrere del tempo queste scariche possono alterare la composizione chimica del materiale isolante e possono portare alla rottura completa. Il test della scarica parziale, le cui specifiche sono definite dallo standard Iec 60270 riconosciuto a livello mondiale, permette di stabile l’esatto valore di tensione in corrispondenza del quale una scarica si verifica per la prima volta. Questa valore di tensione, denominato “inception voltage”, deve essere il più elevato possibile per garantire che non si verifichino danni durante il funzionamento normale. La conoscenza del valore della “inception voltage” abbinata all’adozione di tutti gli accorgimenti necessari affinché tale valore non venga mai superato, permette di ridurre drasticamente la possibilità che si verifichi un guasto totale a causa della rottura del dielettrico. Per realizzare la moto elettrica il team dell’Università di Nottingham ha sottoposto a collaudo i convertitori Dc-Dc delle famiglie MGJ3 e MGJ6 di Murata Power Solutions. I test condotti hanno evidenziato che questi convertitori risultavano adatti per l’utilizzo nelle più comuni applicazioni di pilotaggio in presenza di tensioni fino a 3 kV senza incorrere in alcun malfunzionamento imputabile alle scariche parziali. La garanzia che i convertitori Dc-Dc utilizzati erano affidabili e caratterizzati da bassi valori di capacità di accoppiamento è una garanzia del fatto che erano stati progettati per l’utilizzo in applicazioni di pilotaggio del gate degli Igbt contraddistinte da elevate velocità di variazione della tensione (dV/dt). Solitamente i convertitori Dc-Dc utilizzano opto-accoppiatori per implementare un anello di retroazione per la regolazione della tensione del lato secondario. Questa tecnica, sebbene garantisca ottimi risultati in termini di regolazione della linea e del carico (entro +/- 1%), presenta uno svantaggio: gli opto-accoppiatori non risultano particolarmente affidabili in presenza di sollecitazioni prodotte da un’elevata velocità di variazione della tensione. Gli opto-accoppiatori, inoltre, stabiliscono un altro collegamento tra uscita e ingresso, contribuendo in tal modo ad aumentare la capacità di accoppiamento. Senza dimenticare che la presenza degli opto-accoppiatori riduce la durata del progetto poiché le loro prestazioni vanno deteriorandosi al passare del tempo.
Un approccio alternativo
Un approccio alternativo prevede l’uso di un avvolgimento sul primario del trasformatore del convertitore Dc-Dc come percorso di retroazione. Questo metodo, anche se penalizza l’accuratezza della regolazione del carico (+/- 5%) risulta ugualmente valido poiché in un’applicazione di questo tipo il carico degli Igbt risulta abbastanza costante. L’utilizzo della regolazione sul lato primario al posto di un opto-accoppiatore permette di eliminare un componente non adatto per questo tipo di applicazioni, contribuendo ad aumentare l’affidabilità complessiva e a ridurre la capacità di accoppiamento. Lo sviluppo di un controllore di potenza per una superbike elettrica è senza dubbio un compito complesso. Murata ha collaborato con l’Università di Nottingham nel progetto dei convertitori per il pilotaggio del gate degli Igbt e insieme hanno affrontato le sfide insite in un progetto di questo tipo per il raggiungimento di un ambizioso sviluppo congiunto. Ponendo particolari attenzioni alla capacità di accoppiamento, alle caratteristiche della scarica parziale e al progetto del convertitore Dc-Dc è stato possibile realizzare un convertitore di potenza per Igbt estremamente affidabile e sicuro.
