Il contributo del carburo di silicio al miglioramento dell’efficienza nei sistemi a energia rinnovabile

AUTORE: Alvarado, Sean

In tutto il mondo è in corso una rivoluzione energetica: secondo l’Agenzia Internazionale dell’Energia, le fonti energetiche rinnovabili rappresenteranno quasi il 95% dell’aumento della capacità energetica globale fino a tutto il 2026. Le fonti di energia solare costituiranno oltre la metà di quel 95%.

Attualmente gli ambiziosi obiettivi per l’energia pulita e le politiche governative stanno accelerando l’adozione delle energie rinnovabili in settori come l’energia solare, le infrastrutture per veicoli elettrici (EV) e lo stoccaggio di energia. La loro crescente adozione introduce ulteriori opportunità per l’implementazione di sistemi di conversione della potenza in applicazioni industriali, commerciali e residenziali. L’adozione di dispositivi ad ampio bandgap come quelli al carburo di silicio (SiC) sta aiutando i progettisti a ottenere un equilibrio tra quattro indicatori prestazionali: efficienza, densità, costo e affidabilità.

I vantaggi del SiC rispetto alle tradizionali applicazioni di potenza basate su IGBT per l’energia rinnovabile

Gli interruttori di alimentazione SiC e i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) sono interruttori di alimentazione diffusi in applicazioni ad alta potenza, come nei sistemi a energia rinnovabile. La Figura 1 mostra le tipiche frequenze di commutazione e i livelli di potenza a cui operano gli interruttori di alimentazione SiC e gli e IGBT. Entrambi sono applicabili a livelli di potenza di 1 kW e superiori.

Figura 1: Intervalli d’esercizio tipici per interruttori di alimentazione

Gli interruttori di alimentazione SiC presentano numerosi vantaggi prestazionali per le energie rinnovabili ad alta potenza nel confronto con i tradizionali interruttori di alimentazione al silicio, come di IGBT.

Il primo vantaggio prestazionale consiste nella minore resistenza e nella minore capacità rispetto agli IGBT, che permettono di ridurre le perdite di potenza e contribuiscono a migliorare l’efficienza. Gli interruttori di alimentazione SiC sono in grado di supportare velocità di commutazione molto maggiore rispetto agli IGBT: in tal modo contribuiscono a ridurre le perdite di commutazione e migliorano l’efficienza di conversione della potenza. Tutto ciò si traduce in maggiori rendimenti energetici, che sono un aspetto fondamentale per l’ottimizzazione dell’erogazione dei convertitori di potenza nei sistemi rinnovabili, come gli inverter fotovoltaici, i sistemi di immagazzinamento dell’energia o i moduli di potenza di caricabatterie veloci in CC.

Molte applicazioni per energie rinnovabili funzionano in spazi ristretti con elevata generazione di calore; pertanto i progettisti devono cercare modi per ridurre le dimensioni dei circuiti stampati e massimizzare la dissipazione termica. I SiC possono lavorare a temperature maggiori rispetto agli IGBT, offrendo agli interruttori di potenza SiC una maggiore stabilità termica e meccanica, che permette di rendere più compatti i progetti dei dispositivi elettronici di potenza.

Azionamento di SiC con un driver del gate

L’azionamento di interruttori di alimentazione SiC richiede di considerare aspetti particolari, date le loro caratteristiche uniche. La scelta dell’azionamento del gate può effettivamente avere ripercussioni sulle prestazioni del SiC nell’applicazione.

Gli interruttori di alimentazione SiC richiedono driver del gate in grado di gestire elevati valori di tensione e corrente. Il driver del gate deve fornire una carica del gate sufficiente a commutare l’interruttore di alimentazione SiC ed evitare picchi di tensione.

Rispetto agli IGBT, gli interruttori di alimentazione SiC sono vulnerabili ai cortocircuiti, che possono causare danni notevoli ai sistemi elettronici di potenza. In generale, gli IGBT presentano un tempo di resistenza ai cortocircuiti di circa 10 µs, mentre il tempo di resistenza ai cortocircuiti dei SiC è pari a circa 2 µs. Per questo motivo è importante considerare ulteriori elementi di protezione, come la protezione da desaturazione o da sovracorrenti, in fase di progettazione con gli interruttori di alimentazione SiC. Alcuni driver del gate, come l’UCC21710, sono dotati di una funzionalità integrata di protezione dal cortocircuito per rilevare e reagire agli eventi di cortocircuito. Ulteriori informazioni sulla protezione del cortocircuito per FET SiC sono disponibili nella nota applicativa «Comprendere la protezione da cortocircuiti per MOSFET SiC».

Sebbene gli interruttori di alimentazione SiC siano in grado di operare in ambienti con temperature più elevate, è comunque importante monitorare le prestazioni termiche degli interruttori di alimentazione SiC e prevenire il surriscaldamento. Oltre alla funzionalità integrata di protezione da cortocircuito, l’UCC21710 è dotato di un sensore integrato per il monitoraggio, che permette di eliminare la necessità di implementare un sensore di temperatura discreto.

Conclusione

Per sfruttare appieno la potenza erogata nei sistemi a energia rinnovabile è importante massimizzare l’efficienza bilanciando al tempo stesso costi, dimensioni e affidabilità. Gli interruttori di alimentazione SiC presentano numerosi vantaggi nelle applicazioni ad alta potenza che li rendono ottimi candidati per l’energia fotovoltaica e la ricarica di veicoli elettrici. Per massimizzare l’impatto del SiC in queste applicazioni, TI propone prodotti per azionamento del gate ottimizzati per gli interruttori di alimentazione SiC e che offrono scalabilità per i livelli di potenza, oltre a diversi livelli di protezione integrata, in modo da contribuire a semplificare la progettazione di uno stadio di potenza SiC.

Risorse supplementari

Scoprite i nostri progetti di riferimento dotati di driver del gate isolati:

Progetto di riferimento per inverter e PFC a 10 kW bidirezionale trifase a tre livelli (tipo T).

Progetto di riferimento per driver del gate isolato intelligente con alimentazione a polarizzazione.

Ulteriori informazioni sul driver del gate isolato a canale singolo UCC21710.

 

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