L'industria automobilistica sta passando a veicoli ibridi ed elettrici, il che richiede soluzioni affidabili per generare, distribuire e controllare sistemi ad alta potenza. Il carburo di silicio (SiC) è una tecnologia chiave per soddisfare queste esigenze, offrendo maggiore densità ed efficienza di potenza.
L'industria automobilistica si sta muovendo verso un futuro più sostenibile, poiché l'industria introduce un numero crescente di veicoli ibridi (HEV) o completamente elettrici (EV), nonché di auto a celle a combustibile. L'elettrificazione delle funzioni critiche richiede soluzioni affidabili per generare, distribuire e controllare sistemi ad alta potenza. Con l'aumento della quantità di energia elettrica immagazzinata e utilizzata dal veicolo, aumenta anche la necessità di densità ed efficienza di potenza. Un monitoraggio e un controllo efficaci sono essenziali per un funzionamento efficiente e affidabile dei sottosistemi elettrici. I fornitori di semiconduttori come Microchip offrono un ampio portfolio di hardware, software, strumenti di sviluppo integrati e soluzioni di alimentazione ad alta efficienza abilitate dal carburo di silicio (SiC) per facilitare l'innovazione nei sistemi EV e HEV.
I progettisti di sottosistemi automobilistici si impegnano costantemente per sviluppare soluzioni innovative per estendere l'autonomia e ridurre il tempo di ricarica dei veicoli elettrici. Nel perseguimento di questi obiettivi, hanno spinto le tecnologie basate sul silicio vicino ai limiti fisici in termini di dimensioni, peso ed efficienza energetica e stanno quindi passando a soluzioni SiC per affrontare queste sfide. Rispetto al silicio, i dispositivi SiC offrono una minore resistenza nello stato On, velocità di commutazione più elevate e la capacità di resistere a tensioni e correnti maggiori a temperature di giunzione più elevate. Un altro vantaggio chiave del SiC è che le sue dimensioni ridotte consentono una maggiore densità di potenza, che è fondamentale in molte applicazioni chiave per veicoli elettrici. Non sorprende che il mercato automobilistico dei semiconduttori di potenza SiC WBG (widebandgap) dovrebbe crescere di tredici volte la sua attuale valutazione di 1 miliardo di dollari fino al 2030, secondo Omdia (SiC power semiconductors by application, 2022 Mid Case report).
La tendenza verso tensioni più elevate, come 800 V, all'interno dei veicoli elettrici sta guidando nuovi progetti per inverter di trazione, convertitori DC-DC, caricabatterie di bordo e compressori per pompe di calore e celle a combustibile. Le prestazioni robuste dei MOSFET e dei diodi SiC ad alta tensione sono particolarmente adatte per i veicoli elettrici, in particolare nelle applicazioni commerciali e fuoristrada in cui la disponibilità è fondamentale.
La rete esistente di infrastrutture di ricarica a 400 V per i veicoli tradizionali dovrà anche adattarsi ai nuovi modelli di veicoli a 800 V. La crescente necessità di alte tensioni sta guidando lo sviluppo di moduli DC-DC booster nell'auto per riunire i rail di tensione.
La tecnologia SiC può anche fungere da elemento di commutazione in un interruttore automatico allo stato solido, o E-Fuse, per proteggere i componenti elettrici del veicolo e diagnosticare gli eventi del guasto prima che si trasformi in un guasto grave. I tempi di inattività per le riparazioni e i costi possono essere risparmiati migliorando le opzioni di diagnosi e configurazione rispetto alle soluzioni meccaniche.
Allo stesso tempo, c'è una domanda di infrastrutture di ricarica rapida in corrente continua per ricaricare rapidamente un veicolo. Ciò è particolarmente importante per le applicazioni commerciali, dagli autocarri e autobus alle attrezzature minerarie e edili, che devono funzionare il più a lungo possibile.
Interruttori automatici allo stato solido
L'utilizzo di SiC per un interruttore automatico allo stato solido offre una serie di vantaggi rispetto alle tradizionali soluzioni di protezione dei circuiti. La tecnologia è in grado di commutare rapidamente utilizzando un profilo di intervento configurabile via software, ad esempio tramite un'interfaccia LIN, per interrompere un circuito in un tempo misurato in microsecondi, 100-500 volte più velocemente rispetto agli approcci meccanici tradizionali grazie al suo design allo stato solido ad alta tensione.
Gli E-Fuse sono ripristinabili per evitare la necessità di sostituire fusibili fisici, il che fornisce una soluzione affidabile e a lungo termine se un circuito viene regolarmente interrotto. I potenziali rischi di archi elettrici quando si commutano correnti DC ad alta tensione con contatti meccanici vengono eliminati quando si utilizza una soluzione E-Fuse allo stato solido.
L’ E-Fuse technology demonstrator di Microchip con interruttori MOSFET mSiC da 700 V e 1200 V combina rilevamento della corrente, amplificatori, interfaccia LIN e un microcontroller PIC a 8 bit con periferiche indipendenti dal core per fornire una soluzione completa e altamente integrata. Tutti i componenti sono disponibili con qualifica AEC per il settore automobilistico. Questo design implementa una curva TCC (Time Current Character) che aiuta i progettisti a passare da fusibili o contattori tradizionali ed è caratterizzato da un tempo di resistenza al cortocircuito fino a 10 μs con una corrente nominale fino a 30 A.
Ricarica rapida: un aiuto dal SiC
Veicoli elettrici, commerciali e fuoristrada richiedono capacità di ricarica rapida. Mentre un'auto la si può lasciare nel vialetto durante la notte per la ricarica, gli autobus o le attrezzature da costruzione devono funzionare efficacemente per tutto il giorno o tutta la notte anche. Questi si stanno spostando su pacchi batteria a 800 V o addirittura 1000 V per fornire i livelli di potenza necessari per veicoli più grandi per trasporto pesante.
Questi progetti di caricabatterie integrati a bordo veicolo richiedono livelli di potenza più elevati e sono dove la tecnologia SiC fornisce una soluzione ottimale. I dispositivi con tensioni nominali di 1200 V e persino 1700 V offrono agli sviluppatori un margine di progettazione maggiore. Ciò può tradursi per il veicolo in prestazioni di picco più elevate, minore ridondanza e produzione più semplice di elementi.
La maggiore efficienza dei SiC rispetto agli IGBT al silicio significa anche che sono necessari dissipatori di calore più piccoli, riducendo il peso del veicolo.
È disponibile un dimostratore tecnologico di un caricabatterie DC-DC isolato da 30 kW, basato su MOSFET mSiC da 1200 V e diodi mSiC doppi da 1200 V. Il design presenta un'efficienza di picco del 98%, una tensione di ingresso di 650-750 V e una tensione di uscita di 150-600 V a un massimo di 50-60 A a una frequenza di commutazione di 140 kHz. Il layout del PCB è ottimizzato per la sicurezza, la corrente e le sollecitazioni meccaniche e l'immunità al rumore.
Inoltre, è disponibile un progetto di riferimento PFC (Power Factor Correction) trifase da 30 kW in una topologia Vienna basato su dispositivi SiC. I PFC sono generalmente necessari per eseguire la conversione da AC a DC e per mantenere lo sfasamento della corrente di ingresso AC entro limiti ben definiti rispetto alla tensione di ingresso AC, garantendo un fattore di potenza quasi unitario e una bassa distorsione armonica totale (THD). In futuro, restituire l'energia della batteria del veicolo alla rete sarà un'opzione necessaria. Questa capacità di ricarica bidirezionale può essere dimostrata da un altro progetto PFC basato su SiC da 11 kW in uno schema Totem Pole. Sia DC, DC che PFC possono essere combinati in modo modulare.
Elementi costitutivi per caricabatterie da infrastruttura fino a 150 kW
Anche il carburo di silicio è fondamentale per l'infrastruttura di ricarica. Gli stessi vantaggi di tensioni e correnti più elevate, abbinati a una maggiore efficienza per gli elementi di raffreddamento più piccoli, portano a design più piccoli per i caricabatterie. Sebbene le dimensioni del caricabatterie non siano così critiche per i veicoli commerciali e fuoristrada che vengono custoditi in un deposito durante la notte, è rilevante per i caricabatterie DC bidirezionali domestici che stanno guadagnando popolarità.
Allo stesso modo, i caricabatterie rapidi DC pubblici Level 3 bypassano il caricabatterie di bordo (OBC) del veicolo per caricare direttamente la batteria tramite il sistema di gestione della batteria (BMS) del veicolo elettrico. Il bypass dell'OBC consente velocità di ricarica significativamente più elevate, con una potenza di uscita dal caricabatterie che va da 50 a 350 kW.
L'utilizzo di un approccio di progettazione modulare significa che per la conversione AC-DC viene utilizzato un front-end PFC, spesso da tensioni AC più elevate come 480 V, con una serie di moduli convertitori DC-DC isolati in parallelo per fornire l'alimentazione al veicolo.
Questo approccio progettuale consente di sviluppare una gamma di caricabatterie a partire dai moduli di base per soddisfare le diverse esigenze dell'operatore di un veicolo. Man mano che le esigenze dei veicoli evolvono, richiedendo una maggiore potenza per una ricarica più rapida, l'infrastruttura di ricarica può essere variata utilizzando dispositivi SiC. Questo approccio viene utilizzato per i sistemi di ricarica rapida fino a 150 kW e per i sistemi con prestazioni ancora più elevate.
L'utilizzo della gestione digitale della potenza e di una combinazione di MOSFET e diodi SiC consente di realizzare progetti che offrono un'elevata efficienza e integrazione del sistema, un'elevata densità di potenza, circuiti di controllo digitali avanzati e una maggiore flessibilità, in varie topologie di potenza per applicazioni di caricabatterie rapido DC. Questi possono essere abbinati a dispositivi analogici, gestione della potenza, connettività sia wireless che cablata, misurazione dell'energia, memoria, sicurezza e dispositivi HMI (Human Machine Interface) per completare un progetto di ricarica rapida L3 DC.
Le soluzioni Widebandgap come SiC sono fondamentali per la mobilità elettrica, consentendo livelli più elevati di efficienza, densità e affidabilità di conversione della potenza. Microchip può aiutare i progettisti ad adottare il carburo di silicio con facilità, velocità e sicurezza con i suoi prodotti e le sue soluzioni di potenza mSiC. Questo portfolio comprende SiC bare die, discreti e moduli da 700 V a 3,3 kV.
Inoltre, il portfolio complessivo comprende MPU, MCU, Wi-fi/Bluetooth e chip di misurazione, Touch Graphical Screen User Interface per applicazioni all'interno di pile di ricarica.
Per quanto riguarda i veicoli, Digital Signal Controller, In-Vehicle-Networking e componenti, e driver Automotive-Grade, solo per menzionarne alcuni.
La soluzione completa comprende anche suite software per algoritmi avanzati di controllo motori e controllo della potenza in switch mode, nonché stack software per il settore automobilistico e librerie diagnostiche per la sicurezza funzionale.
