Dispositivi SiC negli inverter per trazione elettrica

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Dispositivi SiC negli inverter per trazione elettrica

Estratto dall’intervento di Rohm Semiconductor in occasione della partecipazione a Fortronic Power 2018

Nel 2010 è stato lanciato sul mercato il primo MOSFET al carburo di silicio (SiC) che ha dato il via a una rivoluzione nel settore dell’elettronica di potenza. Da allora i dispositivi SiC sono stati utilizzati in numerosi progetti industriali per le loro caratteristiche migliorative.

Oltre a una diminuzione dei costi, il SiC inoltre ha raggiunto un grado di maturità tale da renderlo indicato in applicazioni in cui sono richiesti elevati requisiti di affidabilità, come nell’automotive.
Questo articolo tratta i vantaggi di un modulo di potenza SiC sviluppato da Rohm Semiconductor applicato in un inverter per trazione elettrica.

Struttura di un power-train per EV

In Figura 1 si illustra uno schema a blocchi semplificato di un sistema di trazione elettrica. Grazie all’impiego di componenti di potenza SiC nel gruppo propulsore, è possibile ottenere un aumento del valore dell’efficienza del sistema.
Di conseguenza con la stessa capacità del gruppo batterie, l’impiego del SiC nel gruppo propulsore garantisce una maggiore autonomia. O, in alternativa, si può ottenere la stessa autonomia con una sensibile riduzione delle dimensioni della batteria, e quindi del peso del veicolo e dei tempi di ricarica. L’ottimizzazione dell’efficienza ottenuta grazie a questa tecnologia porta un vantaggio economico e di prestazioni.
Figura 1: schema a blocchi di un power-train per un veicolo elettrico.

schema a blocchi di un power-train per un veicolo elettrico.

Il circuito di commutazione che collega il condensatore di bulk ai 3 semiponti è uno dei punti critici del sistema di potenza. Durante la commutazione dei transistor l’induttanza parassita presente in tale circuito riveste un ruolo fondamentale nella determinazione delle perdite per commutazione nonché del picco di tensione che si presenta durante lo spegnimento del transistor di potenza. L’induttanza parassita presente nel modulo di potenza è parte dell’induttanza parassita totale del circuito di commutazione. Applicando dispositivi a commutazione rapida come i SiC MOSFET, il valore dell’induttanza interna del modulo diventa più critica e deve essere il più basso possibile. In tal modo si possono ottenere perdite di commutazione ridotte e un guadagno in efficienza del sistema.

Il nuovo modulo di potenza SiC (G-Type)

La Figura 2 mostra il modulo di potenza di Rohm BSM600D12P3G001 (G-Type) da 600 A di recente sviluppo. La differenza tra il nuovo modulo G-Type e il suo predecessore, il modello E-Type, è caratterizzata esternamente da contatti di potenza migliorati ma entrambi i moduli hanno le stesse dimensioni. Il modulo G-Type presenta inoltre un’induttanza parassita di soli 10nH, che si è potuta ottenere grazie a una specifica struttura interna (l’induttanza parassita del modulo E-Type è di 13 nH).

il nuovo modulo full SiC G-Type

Pur avendo i due moduli le stesse dimensioni, il G-Type ha corrente di Drain massima di 600 A, mentre l’E-Type di 400 A.
Bisogna tenere presente che all’aumentare del valore della corrente la tensione di picco diventa sempre più rilevante a causa del maggior valore di di/dt. Nell’utilizzo del modulo di potenza ci si deve assicurare che il picco di tensione non superi la massima tensione di blocco specificata per il modulo.
Il picco di tensione che si presenta in fase di spegnimento ha un impatto rilevante sulle perdite per commutazione. La Figura 4 mostra il rapporto tra picco di tensione e perdite di commutazione di entrambi i moduli in funzione di diversi valori di resistenze di gate (Rg). Si stima che in un’applicazione che consenta un picco massimo di sovratensione di 200V, le perdite di commutazione del modulo G-Type possono essere fino al 25% più basse rispetto al modulo E-Type. Ciò dimostra che una minore induttanza parassita del modulo è un fattore chiave non solo per ottenere un più ampio margine di sicurezza relativamente al picco di tensione drain-source, ma anche per ridurre le perdite di commutazione e di conseguenza aumentare l’efficienza del sistema.

rapporto tra le perdite di commutazione e il picco di tensione con Rg diverse

Il modulo G-Type BSM600D12P3G001 ha una architettura a mezzo ponte (half-bridge) che impiega MOSFET SiC trench-gate e diodi Schottky SiC
Per ogni ramo del mezzo ponte si impiegano 10 MOSFET SiC in parallelo. La corrente nominale di drain DC è pari a 600A con Tc=50°C.

Inverter per trazione elettrica a SiC

La Figura 7 mette a confronto due inverter per gruppi propulsori. L’inverter a sinistra ha una potenza nominale di 200 kW e utilizza moduli di potenza ad IGBT e diodi FRD a Si (Fast recovery diode). L’inverter di destra applica moduli di potenza SiC di recente sviluppo (G-Type) e presenta una potenza nominale di 220 kW. Grazie ai MOSFET SiC e ai diodi a barriera Schottky SiC è stato possibile ottimizzare le prestazioni del motore, ridurre le dimensioni del sistema di raffreddamento e del banco condensatori e ottenere una struttura ottimizzata delle bus-bar di conduzione a bassa induttanza. Entrambi gli inverter sono raffreddati ad acqua e le versioni si possono utilizzare con sistemi di batterie fino a 800V

due inverter per gruppi propulsori (a sinistra: da 200 kW con IGBT a Si, a destra: da 220 kW con SiC MOSFET)

Potenza, peso, volume e densità di potenza

Come rappresentato in Tabella 1, l’inverter con Sic MOiCSFET presenta efficienza e densità di potenza più elevate. Pur essendo di dimensioni più piccole, può anche sviluppare una potenza massima di circa 20kW (o il 10%) in più rispetto all’inverter basato su IGBT che si traduce in una capacità di trazione maggiore per il veicolo.

confronto tra le specifiche di entrambi gli inverter per gruppi motopropulsori

Vantaggi economici ottenuti dal SiC nei gruppi propulsori

Fra le case automobilistiche si registra un trend verso una maggior capacità delle batterie per aumentare l’autonomia dei veicoli elettrici. Un aumento dell’efficienza del gruppo propulsore garantirebbe dunque vantaggi sotto questo aspetto.

La Figura 8 mostra una stima dei vantaggi economici conferiti dalla tecnologia SiC in base alla capacità della batteria. Grazie all’efficienza migliorata dell’inverter, e basandosi sul ciclo di guida standard WLTP per i veicoli leggeri, la possibile percentuale di miglioramento oscilla tra il 3 e il 5%. Il calcolo è proiettato alle tempistiche dell’immissione sul mercato di massa di inverter per veicoli elettrici previsto per il 2025. Come base di calcolo si è considerato il costo di un chip per un MOSFET SiC da 1200V da 25 mm2.

Il mercato dei dispositivi a base SiC sta registrando una crescita molto elevata e si prevede che i costi dei componenti Si e SiC si avvicineranno. È molto probabile che la tecnologia SiC soppianterà quella IGBT in una buona percentuale delle applicazioni attuali.

Immagine 8: vantaggi economici conferiti dall’utilizzo di dispositivi SiC ai gruppi propulsori al 2025

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