Una trazione più efficiente per favorire la diffusione dei veicoli elettrici

La cosiddetta “ansia da rifornimento”, derivata dalla ancora scarsa autonomia, rappresenta senza dubbio una barriera all’acquisto di veicoli elettrici (EV) da parte di molti consumatori. L’incremento della densità di celle della batteria e il miglioramento dell’efficienza dei processi di conversione dell’energia sono due elementi fondamentali per cercare di ovviare a questo problema. Sicuramente uno degli elementi per cui l’efficienza rappresenta un fattore critico è l’inverter di trazione, ovvero il dispositivo che converte la tensione in continua (DC) della batteria nell’azionamento in alternata (AC) richiesto per fornire potenza ai motori.

In questo articolo verrà illustrato come l’utilizzo dei moduli in carburo di silicio (SiC – Silicon Carbide) e gli IGBT della serie VE-Trac™ permette di ottenere una maggiore densità di celle e aumentare l’efficienza del processo di conversione, contribuendo così a incrementare l’autonomia di un EV e dissipare i dubbi dei consumatori.

Gli inverter di trazione rappresentano il nucleo centrale dei veicoli elettrici e collegano le batterie ai motori di trazione. Essi convertono la tensione continua della batteria nell’azionamento in alternata (AC) richiesto dai motori, con livelli di potenza da 80 a oltre 150 kW. La tensione della batteria dipende dalla dimensione della stringa della batteria stessa ed è solitamente nell’intervallo di 400 V, anche se si va sempre più diffondendo l’uso di tensioni di 800 VDC al fine di ridurre i valori della corrente in gioco, limitando in tal modo le perdite.

Nonostante una riduzione del costo del 40% negli ultimi 3 anni, o del 90% nell’ultimo decennio, la batteria a ioni di litio (Li-ion) resta il componente più costoso all’interno di un veicolo elettrico. La traiettoria in discesa dei prezzi dovrebbe proseguire fino a circa il 2025, anno in cui è prevista una sua stabilizzazione. In considerazione del costo elevato, è indispensabile che ogni singolo Joule di energia immagazzinato venga utilizzato nella maniera più efficiente possibile al fine di cercare di limitare il costo, e anche le dimensioni, del pacco batteria.

Questo sistema di trazione elettrico fornisce valori molto elevati di coppia e di accelerazione. La rapidità di risposta della combinazione tra inverter e motore elettrico è direttamente correlata alla “percezione” del veicolo da parte del consumatore e, di conseguenza, all’esperienza di guida e al livello di soddisfazione dello stesso.

Il ruolo dei dispositivi di commutazione

Un inverter di trazione solitamente prevede tre elementi a semi-ponte, ognuno dei quali è composto da una coppia di MOSFET o IGBT noti come commutatori (switch) high-side e low-side. E’ presente un elemento a semiponte per ciascuna fase del motore (quindi tre in totale), mentre appositi gate driver (ovvero circuiti per il pilotaggio del gate) sono preposti al controllo di ogni dispositivo di commutazione. Lo schema di un inverter di trazione è riportato in figura 1.

Il compito principale di uno switch è commutare la tensione e la corrente DC provenienti dalla batteria ad alta tensione (HV) mediante operazioni di apertura/chiusura, in modo da creare l’azionamento in AC necessario per il motore che spinge il veicolo. Si tratta di un’applicazione particolarmente difficile a causa degli elevati valori di tensione, corrente e temperature in gioco: a questo proposito è utile ricordare che le batterie da 800 V possono fornire una potenza superiore a 200 kW.

Gli inverter di trazione basati su sistemi di batterie a 400 V richiedono dispositivi a semiconduttore di potenza con valori nominali di VDS compresi nell’intervallo tra 650 e 750 V, mentre nel caso di batterie a 800 V il valore di VDS aumenta a 1200 V. In una tipica applicazione, questi componenti di potenza devono anche gestire correnti alternate di picco superiori a 600 A per un periodo massimo di 30 s e una corrente alternata massima di 1600 A per 1 ms.

Oltre a ciò, i transistor di commutazione e i circuiti per il pilotaggio del gate utilizzati per il dispositivo devono essere in grado di gestire questi carichi di notevole intensità garantendo nel contempo un’elevata efficienza dell’inverter di trazione.

Gli IGBT hanno rappresentato la scelta ideale per gli inverter di trazione grazie a caratteristiche quali capacità di gestire alte tensioni, elevata velocità di commutazione e funzionamento efficiente: essi, inoltre, sono in grado di soddisfare gli obiettivi in termini di costo, particolarmente severi nel settore automotive.

Commutatori e densità di potenza

A bordo delle moderne autovetture, lo spazio (fisico) destinato alla tecnologia risulta particolarmente esiguo. La densità di potenza è dunque un parametro importante, specialmente per tutti gli elementi del gruppo propulsore. Le dimensioni fisiche (e il peso) devono essere minimizzate perchè qualsiasi peso contribuisce a ridurre l’autonomia del veicolo.

Dimensioni fisiche dei componenti a parte, l’elemento principale che determina le dimensioni è l’efficienza del progetto. Una maggiore efficienza contribuisce a diminuire il calore generato, permettendo di realizzare inverter più compatti.

I commutatori, siano essi IGBT o MOSFET, sono i dispositivi che hanno l’impatto maggiore sulle perdite che generano calore. Bassi valori di “on resistance” (RDS(ON)) riducono le perdite statiche mentre tutti i miglioramenti che riguardano la carica di gate (Qg) riducono le perdite dinamiche (o di commutazione), consentendo ai sistemi di commutare più rapidamente. Una velocità di commutazione più elevata permette di ridurre le dimensioni dei componenti passivi (come i dispositivi magnetici), con conseguente incremento della densità di potenza.

Anche la massima temperatura di funzionamento dei commutatori può influenzare la densità di potenza: se i dispositivi possono operare a temperature più elevate, il raffreddamento richiesto è inferiore, il che comporta una diminuzione di dimensioni e peso del progetto.

Aumentare la densità di potenza con un approccio modulare

In numerosi progetti di inverter di trazione, i principali componenti sono spesso separati e ospitati in package discreti. Anche se si tratta sicuramente di un approccio valido, non è detto che permetta di realizzare il progetto più compatto (o caratterizzato dalla maggiore densità di potenza).

Un approccio alternativo prevede il ricorso a moduli pre-configurati per formare i semi-ponti necessari per l’inverter di trazione. Una soluzione di questo tipo è rappresentata dai moduli PIM (Power Integrated Module) VE-Trac di onsemi, esplicitamente progettati per applicazioni di elettrificazione dei veicoli, inverter inclusi.

I moduli di potenza VE-Trac Dual integrano una coppia di IGBT UFS (Ultra Field Stop) da 1200 V in configurazione a semiponte. Questi dispositivi utilizzano la tecnologia IGBT Trench UFS, robusta e ampiamente collaudata, che garantisce elevata densità di corrente e un’efficace protezione contro i corto circuiti, oltre a supportare la maggiore tensione di blocco necessaria per le applicazioni che utilizzano batterie da 800 V. Questi IGBT “intelligenti” integrano, unici nel loro genere, sensori di temperatura e corrente che garantiscono un tempo di reazione più rapido in presenza di fenomeni quali sovracorrenti e sovra temperature, proponendosi quindi come una soluzione particolarmente robusta.

I dispositivi sono montati sotto forma di chip su un substrato DBC (Direct Bond Copper) Al2O3 con isolamento di 4,2 kV (base), con rame e raffreddamento su entrambi i lati. L’assenza di qualsiasi filo di collegamento (wire bond) permette di raddoppiare la durata operativa prevista rispetto a moduli che utilizzano un tipo di montaggio che prevede il ricorso ai fili di collegamento. Nel medesimo package degli IGBT è ospitato un diodo che permette di ridurre le perdite di potenza e supporta la commutazione graduale (soft switching), aumentando in tal modo l’efficienza complessiva.

Potendo ospitare i bare die (chip nudi) in un ingombro compatto, i moduli VE-TRAC Dual sono molto più semplici da integrare in un design con severi vincoli dimensionali. Funzionamento efficiente, basse perdite e raffreddamento su entrambi i lati semplificano la gestione termica, mentre una temperatura di funzionamento continua di 175 °C permette di fornire valori di potenza di picco più elevati ai motori di trazione.

Di solito è richiesto un singolo modulo VE-Trac Dual per ciascuna fase di un inverter di trazione e il design meccanico si presta all’uso in applicazioni multifase, semplificando la scalabilità e garantendo anche la possibilità di configurare i moduli in parallelo al fine di fornire una maggiore potenza a ogni singola fase.

Mentre i moduli VE-Trac basati su IGBT sono sufficienti per la maggior parte delle applicazioni automotive, è anche disponibile una versione con MOSFET SiC da utilizzare nelle applicazioni più complesse. Quest’ultima impiega la più recente tecnologia WBG (Wide Band Gap) per consentire lo sviluppo di inverter di trazione ancora più compatti ed efficienti.

Considerazioni conclusive

Garantire ai veicoli elettrici una maggiore autonomia tra una ricarica e l’altra è senza dubbio una delle più grandi sfide tecnologiche di questi tempi. Le normative emanate da diversi Governi e la necessità di ridurre l’impatto ambientale contribuiranno ad accelerare la diffusione di questo tipo dei veicoli nei prossimi anni.

Il tasso di adozione sarà più rapido nel caso si riuscisse a risolvere (o perlomeno a mitigare) il problema dell’”ansia da rifornimento” che assilla molti consumatori. Per affrontare in modo efficace questo problema la soluzione migliore è aumentare l’efficienza che permette non solo di ottenere una maggiore autonomia, ma anche di incrementare la densità di potenza e migliorare l’affidabilità.

I commutatori a semiconduttore sono gli elementi chiave per conseguire tale obiettivo. Mentre i dispositivi discreti offrono comunque eccellenti prestazioni, la soluzione ideale è rappresentata dall’utilizzo di moduli PIM espressamente progettati per l’uso nel settore automotive, come i moduli della serie VE-Trac di onsemi. Si tratta di moduli basati su IGBT che garantiscono i livelli di efficienza, prestazioni e scalabilità necessari in un formato compatto che semplifica la gestione termica.