Introduzione
Il settore e-mobility comprende tutti i tipi di trasporto che utilizzano un motore elettrico come fonte di alimentazione, dai veicoli quali automobili e autobus ai dispositivi di mobilità personale più piccoli come biciclette e scooter. Poiché dipendiamo ancora principalmente dai combustibili fossili, secondo l’IEA i trasporti rappresentano oltre un terzo delle emissioni di CO2 dei settori end-use, il che significa che dobbiamo attuare importanti cambiamenti per contribuire al raggiungimento dei nostri obiettivi climatici.
Per tutti questi mezzi di trasporto elettrici, una efficiente elettronica di potenza è fondamentale per realizzare veicoli di successo che siano accessibili, efficienti e con un’autonomia sufficiente per attirare gli acquirenti. I semiconduttori di potenza sono responsabili della conversione e della gestione efficiente dell’energia elettrica nel propulsore elettrico stesso, oltre che della gestione della batteria, della ricarica e di altre funzioni.
Sviluppi nel mercato della mobilità elettrica
Mentre la tecnologia della mobilità elettrica continua a svilupparsi, in alcuni settori si è recentemente assistito a una riduzione dei sussidi governativi, che ha portato, ad esempio, a un calo del tasso di crescita delle vendite di veicoli elettrici a batteria (BEV) in Europa. Ciò potrebbe rientrare in una tendenza più ampia che vede i consumatori orientarsi verso la proprietà condivisa, la “mobilità come servizio” o il trasporto pubblico, e meno interessati al possesso di un’auto propria.
Alcuni settori sono ancora in forte crescita. McKinsey prevede che il mercato globale della micromobilità elettrica (che comprende e-bike, e-scooter ed e-skateboard) crescerà rapidamente fino a raggiungere circa 360 miliardi di dollari entro il 2030, più del doppio rispetto ai 175 miliardi di dollari del 2022, con le vendite di e-bike come principale motore di questa crescita. Inoltre, secondo Sustainable Bus, nel 2024 il mercato degli autobus urbani elettrici in Europa è cresciuto del 22% rispetto al 2023. Gli autobus a celle a combustibile (FCEV – Fuel cell electric vehicle) sono meno comuni sulle nostre strade, ma il loro numero è in crescita. Per i viaggi più lunghi, anche i produttori di autocarri stanno esplorando le tecnologie FCEV.
Il settore della mobilità elettrica aerea, compresi i veicoli elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL – electric vertical take-off and landing), è ancora in una fase iniziale mentre si sta registrando una crescita dei voli commerciali con droni, nonché investimenti nella tecnologia per aerei elettrici di dimensioni standard.
L’ascesa di SiC e GaN
Per la mobilità elettrica, le batterie agli ioni di litio sono diventate la tecnologia dominante, in quanto garantiscono un’elevata densità di potenza e quindi una maggiore autonomia, oltre che un peso ridotto. Le batterie al piombo sono state un’opzione popolare e più economica per molti veicoli elettrici a due e tre ruote in India e altrove ma questo mercato sta ora passando alle batterie agli ioni di litio, dato che il loro prezzo continua a diminuire rapidamente.
Per fornire le varie funzioni di gestione della potenza in un veicolo, il principale materiale semiconduttore utilizzato è stato tradizionalmente il silicio. Uno dei compiti più importanti è la conversione di potenza tra diverse tensioni nel gruppo motopropulsore, nonché da AC a DC e viceversa, che richiede transistor in grado di commutare in modo rapido ed efficiente.
Per queste attività di conversione di potenza, i MOSFET e gli IGBT di potenza a base di silicio hanno fornito una soluzione robusta ed efficace. Più recentemente, i semiconduttori a banda larga (WBG) come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) sono diventati un’opzione interessante. Ciò è dovuto principalmente alla loro capacità di funzionare a livelli di temperatura, tensione ed efficienza più elevati, consentendo sistemi di alimentazione più compatti ed efficienti.
Nelle sezioni seguenti, esamineremo brevemente alcune delle funzioni di alimentazione più importanti in un veicolo elettrico, come possono essere gestite e come le tecnologie SiC e GaN stanno svolgendo un ruolo chiave.
Figura 1: Applicazioni chiave in un veicolo elettrico (Fonte: STMicroelectronics)
OBC, il caricabatterie di bordo
L’onboard charger (OBC) converte la corrente alternata della rete elettrica in corrente continua per caricare la batteria e può avere una capacità bidirezionale per reimmettere energia nella rete. L’OBC viene utilizzato quando si ricarica da una presa di corrente standard o a bassa potenza, come una presa domestica.
Un esempio di progettazione OBC ad alta efficienza è mostrato nella Figura 2. Consiste in uno stadio PFC “totem-pole”, seguito da uno stadio di conversione DC-DC CLLC isolato. Questo include dispositivi MOSFET sia GaN che SiC, con dispositivi GaN utilizzati nello stadio PFC poiché non presentano perdite di recupero inverso. I MOSFET SiC sono utilizzati nelle soluzioni CLLC e nei raddrizzatori sincroni di uscita, sfruttando la loro efficienza simile a quella dei GaN in questi stadi, a un costo inferiore e con la capacità di gestire tensioni più elevate.
Figura 2: Topologia OBC (Fonte: Avnet Silica)
Convertitori DC/DC di bordo
Per i convertitori DC/DC di bordo dei veicoli elettrici, l’efficienza e l’elevata densità di potenza offerta dalle tecnologie GaN e SiC possono renderli entrambi una buona scelta, a seconda dei requisiti specifici dell’applicazione.
Un’auto elettrica a batteria avrà tipicamente una batteria ad alta tensione da 400 V o 800 V e un sistema a bassa tensione da 12 V o 48 V. Per effettuare in modo efficiente una conversione tra alta e bassa tensione, è solitamente necessario un convertitore bidirezionale. Un’auto che utilizza 48 V come sistema principale a bassa tensione può anche utilizzare più convertitori DC/DC da 48 V a 12 V, consentendo di ottenere un’alimentazione a 12 V localmente dove necessario per componenti specifici, evitando così lunghi e ridondanti cablaggi per trasportare l’alimentazione a 12 V.
Inverter di trazione
Gli inverter di trazione convertono la corrente continua della batteria in corrente alternata per azionare i motori elettrici del veicolo. Sebbene offra prestazioni eccellenti, il dispositivo GaN è tipicamente adatto solo per applicazioni fino a circa 650 V. Laddove sono necessarie tensioni più elevate, come in un tipico inverter di trazione per veicoli elettrici, il silicio o il SiC – carburo di silicio – sono più adatti. Il SiC è spesso la scelta preferita, grazie alla sua maggiore efficienza rispetto al silicio e alla possibilità di realizzare dispositivi più piccoli e leggeri.
Il passaggio dal silicio al SIC comporta alcune sfide progettuali che devono essere affrontate, tra cui lo sforzo ingegneristico aggiuntivo necessario per adattarsi a una nuova tecnologia. La commutazione ad alta frequenza dei dispositivi SiC può creare problemi di rumore e interferenze elettromagnetiche (EMI), che richiedono un’attenta progettazione del layout dei circuiti stampati, nonché induttanze parassite. Anche la gestione termica può essere difficile, poiché l’elevata densità di potenza del SiC rende complicata la dissipazione del calore, in particolare in spazi compatti.
Motori di trazione e frenata rigenerativa
I veicoli più piccoli, come le e-bike, necessitano di sistemi di alimentazione leggeri, compatti ed efficienti, per garantire la massima autonomia possibile dalla batteria o per consentire l’uso di una batteria più piccola mantenendo la stessa autonomia. Ad esempio, le e-bike utilizzano in genere un motore DC senza spazzole (BLDC), sufficientemente piccolo da poter essere integrato direttamente nel mozzo della ruota e spesso con una potenza nominale inferiore a 750 W. Per controllare il motore è possibile utilizzare un chipset integrato, che include un microcontrollore, un gate driver e più MOSFET di potenza.
I semiconduttori di potenza nei motori di trazione svolgono anche un ruolo fondamentale nei sistemi di frenata rigenerativa. Hanno bisogno di semiconduttori efficienti e a commutazione rapida per catturare e convertire l’energia cinetica del veicolo in energia elettrica, che viene poi immagazzinata nella batteria per essere riutilizzata.
I dispositivi basati su GaN possono fornire l’eccellente efficienza e le dimensioni compatte necessarie per queste applicazioni, ma creano nuove sfide di progettazione. Analogamente al SiC, come descritto in precedenza, possono sollevare problemi relativi al rumore e alla compatibilità elettromagnetica, alle induttanze parassite e alla dissipazione del calore.
Consulenza esperta su un ampio portafoglio
La scelta dei componenti giusti e del miglior materiale semiconduttore per le applicazioni di mobilità elettrica dipende da molteplici fattori, tra cui efficienza, densità di potenza, convenienza economica e affidabilità.
Il portafoglio di semiconduttori di potenza di Avnet Silica supporta la mobilità elettrica con una vasta gamma di componenti, tra cui convertitori DC-DC, MOSFET di potenza e IGBT, circuiti integrati di gestione dell’alimentazione, semiconduttori WBG (GaN e SiC) e sistemi di gestione delle batterie.
Autore: Harvey Wilson, Manager Industrial Vertical Markets EMEA, Avnet Silica
