La frequenza di commutazione utilizzata dai semiconduttori SiC e GaN impone dei requisiti elevati ai condensatori del DC link dei convertitori.
Tuttavia, l’ultima generazione di materiali è in grado di resistere alle elevate temperature di esercizio che si manifestano, riducendo al contempo i valori di ESR (resistenza equivalente in serie) e l’induttanza parassita.
I dispositivi a semiconduttore basati su materiali a wideband-gap (WBG) vengono utilizzati sempre più spesso nell’elettronica di potenza per applicazioni automobilistiche. I semiconduttori WBG consentono ai convertitori di potenza di lavorare con tensioni, temperature e frequenze più elevate. Ciò permette di aumentare significativamente sia l’efficienza che la densità di potenza, rendendo la trazione elettrica molto più efficiente.
L’ELEVATA FREQUENZA DI COMMUTAZIONE IMPONE CARICHI AGGIUNTIVI SUI CONDENSATORI
Tuttavia, i dispositivi basati su carburo di silicio (SiC) o nitruro di gallio (GaN) utilizzano una frequenza di commutazione molto elevata, il che implica il ricorso a condensatori DC link con un’autoinduttanza particolarmente bassa e un’elevata resistenza alle correnti di ripple. Inoltre, la velocità di variazione all’uscita di un modulo half bridge in tecnologia SiC può essere molto più elevata rispetto a quella di un componente in silicio, con stadi di potenza che raggiungono un dV/dt compreso tra 30 e 50 kilovolt al microsecondo. Ciò comporta un carico aggiuntivo sui condensatori.
RISCALDAMENTO INDOTTO DAI SEMICONDUTTORI WBG
Per far fronte a queste elevate frequenze di commutazione si ricorre sempre più spesso a condensatori DC link, che sono in grado di sopportare correnti di ripple particolarmente elevate. Per mantenere le linee il più corte possibile e quindi ridurre al minimo l’induttanza parassita, i condensatori devono tuttavia essere posizionati molto vicino ai moduli WBG. Poiché i semiconduttori WBG operano a temperature di giunzione elevate i condensatori DC link sono soggetti a surriscaldamento. Ciò rappresenta un problema in quanto il limite di temperatura per i condensatori a film convenzionali con dielettrico in polipropilene biorientato (BOPP) è di soli 105°C.
CONDENSATORI DC LINK WBG SPECIALI
Attualmente sono in fase di sviluppo dei nuovi condensatori progettati specificamente per il DC link dei convertitori WBG. Rispetto alle soluzioni tradizionali, tali condensatori possono essere posizionati più vicino ai semiconduttori di potenza a commutazione rapida senza necessità di raffreddamento. A seconda del produttore, questi condensatori sono basati sulla ceramica PLZT (titanato di zirconio e lantanio di piombo) o su elettrodi in tecnologia BME (Base Metal Electrode). Tutti riducono le correnti di ripple grazie a una minore ESR e possono operare a temperature di esercizio elevate, comprese tra 125°C e 150°C.
LIBERARE ANCORA PIÙ SPAZIO
In alcuni casi, questi condensatori DC link sono disponibili anche in variante SMD. Grazie alle loro dimensioni ridotte, possono essere posizionati ancora più vicino ai semiconduttori di potenza a commutazione rapida, riducendo al minimo l’induttanza della linea di alimentazione. Inoltre, l’induttanza parassita ESL (induttanza equivalente in serie L), i cui effetti sono particolarmente dannosi alle alte frequenze, è molto bassa. La combinazione tra linee corte (quindi a bassa induttanza) e bassissima autoinduttanza dei condensatori previene i grandi picchi di sovratensione durante l’interruzione della corrente nei moduli a semiconduttore. Ciò significa che, di solito, non sono necessari condensatori snubber, semplificando così il progetto complessivo del sistema e riducendo gli ingombri.
