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L'evoluzione dei semiconduttori di potenza supporta la ricarica veloce in DC di livello 3 eliminando l'”ansia da autonomia”, un ostacolo alla diffusione dei veicoli elettrici

Steven Shackell, Industrial Business Development (ON Semiconductor).

L'evoluzione dei semiconduttori di potenza supporta la ricarica veloce in DC di livello 3 eliminando l'”ansia da autonomia”, un ostacolo alla diffusione dei veicoli elettrici

Sommario

La diffusione dei veicoli elettrici (EV – Electric Vehicle) è ancora frenata essenzialmente da due fattori: la cosiddetta “ansia da rifornimento” e la riluttanza degli automobilisti ad accettare i tempi lunghi richiesti per la ricarica su strada. Non si tratta comunque di ostacoli insormontabili: la ricarica rapida in corrente continua ha tutte le potenzialità per ridurre a pochi minuti il tempo necessario per il rifornimento, mentre l'installazione di stazioni di ricarica procede a ritmi sostenuti in diversi Paesi. Questi caricatori a elevata potenza, con potenze nominali che possono arrivare a 350kW, devono garantire la maggior efficienza elettrica possibile per risultare competitivi in termini di costi e quindi utilizzare le più recenti topologie di conversione di potenza e i più innovativi commutatori (switch) a semiconduttore. Dopo un esame del tipico approccio utilizzato in fase di progettazione , l'articolo prenderà in considerazione opzioni e compromessi che è necessario valutare per i dispositivi di potenza e analizzerà i vantaggi legati all'uso dei più recenti semiconduttori ad ampi band-gap.

Articolo

La crescente propensione da parte degli automobilisti a scegliere un veicolo elettrico è un dato sicuramente incontrovertibile, visto che il tasso di crescita delle vendite di questo tipo di veicoli si aggira intorno al 60%[1]. Le stesse analisi evidenziano però che la percentuale di penetrazione nel mercato è di appena il 2,2%, per cui la strada che i veicoli elettrici dovranno percorrere per conquistare la supremazia del mercato si prospetta ancora lunga. Si tratta di una sfida impegnativa per le Case automobilistiche, che prevedono di introdurre sul mercato oltre 400 nuovi modelli di vetture elettriche entro il 2023.

Sono parecchi i fattori che influenzano la decisione di “abbandonare” i veicoli con motori tradizionali (diesel o benzina), non ultimo il costo di acquisto, ma sicuramente l'”ansia da rifornimento” gioca un ruolo di primo piano. Per i classici tragitti pendolari (casa/lavoro) o per brevi spostamenti non dovrebbero sussistere problemi di sorta, in quanto vi è la possibilità di eseguire la ricarica con i caricatori domestici nelle ore notturne. Ma un'autonomia inferiore ai 500 km (300 miglia) non è sicuramente sufficiente per affrontare viaggi più lunghi, specialmente in aree dove i punti di ricarica pubblici sono scarsi e molto distanti tra di loro. Se la ricarica richiede diverse ore è si è lontani dalla destinazione, è chiaro che l'utilizzo di un veicolo elettrico inizia a diventare problematico. In ogni caso, anche la ricarica domestica di una batteria completamente scarica da 100 kWh (come quella di Tesla) potrebbe richiedere 14 ore per effettuare la ricarica da un'alimentazione da 240 VAC, lasciando a malapena il tempo per affrontare un viaggio il giorno successivo. Sono tuttavia disponibili caricatori in continua veloci che permettono di misurare il tempo di ricarica in minuti anziché in ore.

La suddivisione in livelli del caricatori

Esistono numerose opzioni per la ricarica da casa, dall'ufficio e lungo la strada e, sebbene vi siano alcune discussioni relative alla terminologia, in generale la ricarica di livello 1 prevede l'utilizzo della normale presa domestica da 120 VAC (230/240 VAC in Europa): in questo caso la velocità di ricarica è la più bassa tra tutte le opzioni disponibili. La ricarica di livello 2 contempla la presenza di una stazione di ricarica da 240 VAC (o talvolta 400 VAC trifase) che integra funzioni di controllo e protezione: in questo caso è possibile ancora la ricarica in ambito domestico con una velocità di ricarica maggiore. Entrambi questi tipi di ricarica (livello 1 e 2) utilizzano il caricabatterie a bordo del veicolo per generare la corrente continua per la batteria. Al livello 3 la carica in corrente continua viene inviata direttamente alla batteria da un convertitore AC/DC statico, presente in una stazione di rifornimento allacciata in modo trifase alla rete elettrica (in AC). In una configurazione di questo tipo, alla massima potenza disponibile (350 kW) il tempo di ricarica si riduce ad alcuni minuti, assimilabile quindi a quello richiesto per il rifornimento di una tradizionale autovettura con motore a combustione interna (ICE – Internal Combustion Engine). Nella figura 1 sono riassunte le prestazione dei tre livelli di ricarica per i veicoli elettrici in vigore negli Stati Uniti.


L'evoluzione dei semiconduttori di potenza supporta la ricarica veloce in DC di livello 3 eliminando l'”ansia da autonomia”, un ostacolo alla diffusione dei veicoli elettrici
I 3 livelli previsti per i caricatori negli Stati Uniti e relative prestazioni

Tecnologia di ricarica veloce

I caricatori di livello 3, che prevedono potenze fino a 350 W, sono senza dubbio i più difficili da progettare. Il basso costo è ovviamente una priorità, anche se in questo caso non bisogna dimenticare che l'efficienza di conversione è un parametro di fondamentale importanza. Ogni Watt di potenza sprecato si traduce in un aumento dei costi della bolletta elettrica, una minore quantità di energia disponibile per la batteria e tempi ricarica più lunghi, senza dimenticare che l'eccesso di calore che deve essere smaltito penalizza i benefici ambientali legato all'uso dei veicoli elettrici. Un livello di efficienza elevato richiede meno risorse hardware per il raffreddamento, con conseguente riduzione sia dei costi sia degli ingombri. La figura 2 riporta lo schema di un tipico caricabatteria veloce in DC, dove vengono evidenziati i componenti principali.


L'evoluzione dei semiconduttori di potenza supporta la ricarica veloce in DC di livello 3 eliminando l'”ansia da autonomia”, un ostacolo alla diffusione dei veicoli elettrici
Schema di un tipico caricatore veloce in continua

Quando le potenze in gioco sono dell'ordine di parecchi kilowatt, il raddrizzamento della corrente alternata trifase e la correzione del fattore di potenza (PFC – Power Factor Correction) vengono implementate tramite un raddrizzatore Vienna. Quest'ultimo può avere due forme differenti (Fig. 3). Osservando la figura si può notare che la topologia 1, benché sia caratterizzata da un numero minore di componenti e garantisca la più elevata efficienza, richiede l'uso di diodi da 1200 V che sono relativamente costosi nonché di controlli abbastanza complessi per i sei commutatori. La topologia 2, dal canto suo, utilizza solamente tre commutatori, i controlli sono meno complessi ed è possibile utilizzare diodi da 600 V. In questo caso lo svantaggio è rappresentato dalla minore efficienza, imputabile alla presenza di un numero maggiore di diodi nel percorso di conduzione. Per entrambe le topologie è possibile utilizzare MOSFET in silicio o in carburo di silicio (SiC) ma per ridurre i costi è possibile optare per gli IGBT nel caso la frequenza si mantenga su valori ridotti.

Per quanto concerne i dispositivi è possibile scegliere nella vasta gamma proposta da ON Semiconductor® [2] : i componenti della linea “Field Stop 4”, a esempio, sono disponibili con tensioni nominali di 650 o 950 V, in versioni a bassa, media e alta velocità con differenti valori di tensioni di saturazione e di EOFF (parametro che fornisce un'indicazione delle perdite di tipo dinamico). Per valori di tensione nominale più elevati, che potrebbero essere richiesti per uno stadio rettificatore a semiponte trifase/PFC basato su IGBT, la società propone gli IGBT da 1200 V che utilizzano la tecnologia “Ultra Field Stop”, anch'essi disponibili in versioni a bassa e alta velocità che si distinguono per le eccellenti prestazioni in termini di VCESAT ed EOFF.


L'evoluzione dei semiconduttori di potenza supporta la ricarica veloce in DC di livello 3 eliminando l'”ansia da autonomia”, un ostacolo alla diffusione dei veicoli elettrici
Le due differenti topologie di raddrizzatori Vienna

Lo stadio raddrizzatore Vienna produce un bus ad alta tensione isolato per la conversione DC/DC principale che può essere implementata con una delle varie topologie disponibili. Tra le realizzazioni più comuni si possono annoverare il convertitore LLC interleaved (si tratta in sostanza di due o più convertitori operanti in parallelo con un determinato sfasamento) a ponte intero e il convertitore LLC a tre livelli, i cui schemi sono riportati in figura 4. Per la prima versione (interleaved) è possibile utilizzare MOSFET a supergiunzione da 650 V poichè ciascuno “vede” solo la metà della tensione di alimentazione. Questi potrebbero essere i dispositivi di ON Semiconductor realizzati in tecnologia SuperFET® III disponibili in tre versioni: “Easy Drive” con resistore di gate integrato per ridurre le interferenze EMI e i guizzi (spike) di tensione; “Fast” per assicurare i più elevati livelli di efficienza in applicazioni “hard switching” e “FRFET” per ottenere le migliori prestazioni nei convertitori risonanti come gli LLC e possono vantare un diodo intrinseco (body diode) con prestazioni ottimizzate.


L'evoluzione dei semiconduttori di potenza supporta la ricarica veloce in DC di livello 3 eliminando l'”ansia da autonomia”, un ostacolo alla diffusione dei veicoli elettrici
Schemi di due possibili topologie di conversione

Per ottimizzare efficienza e densità di potenza è possibile ricorrere a MOSFET SiC da 900/1200 V: in questo caso il costo più elevato dei componenti è compensato dalla possibilità di utilizzare componenti magnetici più piccoli e operare a frequenze di commutazione più elevate. L'alto valore di tensione nominale consente l'uso di un solo ponte ad H senza interleaving, con un numero inferiore di commutatori e conseguente diminuzione dei costi. Nelle applicazioni per le quali il costo risulta particolarmente critico, è possibile utilizzare gli IGBT a 650 o 1200 V della linea “Field Stop” di ON Semiconductor ma solo per frequenze di commutazione più basse: lo svantaggio in questo caso è ovviamente legato al fatto di dover utilizzare componenti magnetici più grandi e quindi più costosi. Per quanto riguarda i diodi di uscita è possibile optare per i modelli delle linee “Hyperfast” o “Stealth” da 1200 V oppure per i dispositivi in carburo di silicio sempre da 1200 V per ridurre le perdite.

La topologia LLC a 3 livelli utilizza un numero inferiore di diodi e commutatori, con gli associati circuiti per il pilotaggio del gate isolati e, nonostante la presenza di tre trasformatori, l'ondulazione (ripple) in uscita è molto inferiore. Anche in questo caso è possibile ricorrere a MOSFET SiC o a supergiunzione in silicio, come pure agli IGBT, in funzione dei diversi compromessi in termini di rapporto tra costi e prestazioni.

Prestazioni nettamente migliori con i dispositivi SiC ad ampia bandgap

L'adozione di diodi e commutatori in carburo di silicio a estesa ampiezza di banda (WBG – Wide Band Gap) comporta numerosi vantaggi: la commutazione veloce ad alta tensione con perdite ridotte permette di ridurre costi, dimensioni e peso del sistema, a fronte di un risparmio di energia. Gli esperimenti condotti confrontando una soluzione su silicio che utilizza un raddrizzatore Vienna e un convertitore LLC a ponte intero, con una che utilizza uno stadio rettificatore a semiponte trifase/PFC in carburo di silicio e un convertitore LLC a ponte intero hanno evidenziato, per la versione in carburo di silicio, un incremento del 25% in termini di trasferimento di potenza (power throughput) e una riduzione del 22% e del 62% per quel che riguarda rispettivamente il peso e il volume. Il tutto con una diminuzione del 20% del numero di componenti richiesti, a tutto vantaggio dell'affidabilità del prodotto finale.

L'evoluzione del packaging

Per ottenere il massimo delle prestazioni da parte dei componenti di potenza è necessario prendere in considerazione anche il package, specialmente alle frequenze di commutazione più elevate dove gli effetti parassiti, come a esempio le induttanze dei conduttori, possono influenzare negativamente le prestazioni. Le innovazioni sviluppate da ON Semiconductor in questo settore, come i package PQFN, LFPAK e TO-leadless, permettono di risolvere queste problematiche assicurando nel contempo un miglioramento delle prestazioni termiche. Per ridurre in modo sensibile sia i tempi di assemblaggio in produzione sia il numero dei componenti è possibile prendere in considerazione l'uso dei moduli PIM (Power Integrated Module) che integrano in un unico package più dispositivi, tra cui un mix di IGBT, MOSFET in silicio e SiC, diodi sempre in silicio e SiC laddove necessario, oltre ad altri componenti come resistori di rilevamento. Poiché le prestazioni di questi moduli PIM pre-assemblati sono garantite, è possibile eliminare i rischi in fase di sviluppo, ridurre il numero dei componenti a stock e accelerare il time-to-market.

Considerazioni conclusive

I semiconduttori di potenza di ultima generazione utilizzati nelle topologie di conversione di potenza ad alta efficienza consentono di progettare caricatori in DC veloci per le auto elettriche, eliminando in tal modo il problema legato all'”ansia da rifornimento”. Oltre a integrare verticalmente tutti i processi inerenti la fornitura di IGBT, MOSFET in silicio o carburo di silicio e diodi al fine di proporre soluzioni di potenza complete, ON Semiconductor mette a disposizione una vasta gamma di componenti di supporto che includono controllori analogici e digitali, circuiti per il pilotaggio del gate isolati, amplificatori per il rilevamento della corrente a bassa perdita e optoaccoppiatori.

www.onsemi.com
 

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