Nonostante le innegabili prestazioni e il potenziale della tecnologia al carburo di silicio (SiC), alcuni progettisti potrebbero inizialmente esitare ad affrontare nuovi progetti utilizzando componenti di questo tipo. A nessuno piace correre rischi inutili ma, come per qualsiasi progetto elettronico, il primo passo è comprendere appieno requisiti e potenzialità delle soluzioni disponibili.
La tecnologia SiC si sta affermando in una molteplicità di mercati. Questa tendenza mette a disposizione dei progettisti una serie di inediti ed entusiasmanti elementi di libertà in termini di progettazione in grado di mitigare qualsiasi possibilità di rischio e, in ogni caso, degni di essere approfonditi.
Tra questi: topologie circuitali semplificate, sistemi più piccoli e maggiore densità energetica.
Innanzitutto, un po' di background. I sistemi di alimentazione basati su MOSFET SiC offrono dei vantaggi significativi in termini di costi di sistema, densità di potenza ed efficienza. Oltre a questo, operano a temperature inferiori grazie alle perdite di energia molto ridotte rispetto ai dispositivi IGBT o MOSFET in silicio. Questi vantaggi sono innegabili e stimolano i progettisti ad approfondire le potenzialità della tecnologia SiC.
I progettisti che mirano a restare competitivi e a ridurre i costi di sistema nel lungo termine, si rivolgono alle tecnologie SiC per molte ragioni, tra le quali:
- Riduzione del costo dell’applicazione - I progetti basati su SiC, pur richiedendo un certo investimento iniziale, offrono una riduzione dei costi di sistema grazie alla maggiore efficienza energetica, alle dimensioni più contenute e all'elevata affidabilità.
- Risoluzione delle sfide di progettazione - Le proprietà del SiC consentono ai progettisti di sviluppare dispositivi più piccoli che operano a minori temperature e commutano più velocemente a tensioni più elevate.
- Aumento dell'affidabilità e delle prestazioni - Grazie a dispositivi più piccoli e più "freddi", i progettisti sono liberi di adottare scelte di design più innovative destinate a rispondere prima alle esigenze del mercato.
Esploriamo ora più nel dettaglio alcuni dei principali elementi che consentono maggiore libertà di progettazione.
Topologie semplici e più efficienti
La necessità di DC/DC e inverter più efficienti e densi in termini energetici cresce rapidamente e la tecnologia SiC può venire in soccorso grazie a topologie più semplici che offrono ai progettisti la possibilità di svolgere il loro lavoro in modo più efficace.
La tecnologia SiC consente di sostituire le topologie a tre livelli con quelle a due livelli, semplificando in tal modo i parametri di controllo, occupando meno spazio ed emettendo meno calore.
Nelle topologie hard switching dello stadio di correzione del fattore di potenza (PFC), semplici configurazioni boost (con diodi SiC) e totem pole permettono di ridurre le perdite di ripristino. Per ottenere un'efficienza comparabile con dei MOSFET in silicio sono necessarie topologie più complesse e un controllo di tipo digitale.
I componenti SiC possono essere combinati con dispositivi in Si in topologie multilivello per ottimizzare l'aspetto economico. In Figura 1 è riportato un esempio di topologia ANPC (Active Neutral Point Clamped) a tre livelli modificata, utilizzata negli inverter solari o di accumulo di energia.
Sistemi più piccoli con la tecnologia SiC
I progettisti sono soggetti a forti pressioni volte a ottenere di più in meno spazio. La buona notizia è che i circuiti SiC sono più piccoli, pesano meno e consentono di realizzare inverter e sistemi di accumulo più efficienti.
I servoazionamenti rappresentano un buon esempio. Per velocizzare le operazioni, i servomotori utilizzati per il posizionamento degli oggetti richiedono tempi di risposta rapidi. A tale proposito l'adozione di frequenze di modulazione a larghezza di impulso (PWM) più elevate migliora la dinamica dei servosistemi. Ciò richiede l'uso di un IGBT o di un SiC veloce come interruttore di fase dell'inverter del servoazionamento.
Utilizzando il SiC, gli ingegneri possono progettare unità più piccole, molte delle quali non richiedono alcun raffreddamento attivo. Questo elemento di libertà permette ai progettisti di installare l'azionamento direttamente sul motore. In tali casi, i progettisti possono cablare direttamente sul motore anche il bus CC, riducendo notevolmente la generazione di disturbi elettromagnetici.
Accumulo di energia potenziato
I consumatori di energia rivestono sempre più spesso anche il ruolo di produttori attivi di energia. Le capacità offerte dai SiC nell’ambito del flusso di energia bidirezionale aiutano a sostenere questo cambiamento.
L'accumulo di energia è da decenni parte integrante del processo di generazione, trasmissione, distribuzione e consumo di elettricità. Oggi, la crescita della produzione di energia rinnovabile richiede una fornitura più affidabile e puntuale.
I sistemi di energy storage offrono un'ampia gamma di approcci tecnologici per gestire la domanda e l'offerta: l'obiettivo è creare un'infrastruttura energetica più resiliente, che permetta a utility e consumatori di risparmiare.
La ricarica dei veicoli elettrici (EV) e l'energia solare rappresentano buoni esempi dei vantaggi offerti dal flusso di energia bidirezionale consentito dal SiC. Ad esempio, gli utenti di EV e di sistemi a energia solare, una volta completata la carica, possono rivendere parte di quanto accumulato all'utility. Alcune topologie SiC consentono un flusso più efficiente in entrambe le direzioni, migliorando le prestazioni dei sistemi di accumulo.
Il grafico di Figura 2 mostra le densità di potenza offerte da SiC e Si negli inverter solari.
Vantaggi del SiC rispetto al Si
- Riduzione del 50% della perdita di energia;
- Dimensioni del sistema 10 volte ridotte;
- Frequenze operative 100 volte superiori;
- Prestazioni di accensione e spegnimento più veloci;
- Funzionamento ad alta tensione.
