I veicoli elettrici (EV-Electric Vehicle) sono una presenza sem­pre più comune sulle nostre strade ma, nonostante il rapido aumento delle vendite, è necessario un incremento ancora più marcato per raggiugere gli ambiziosi obiettivi di sviluppo sostenibile, indispensabile per contrastare i cambiamenti clima­tici. Secondo un’analisi condotta da WRI (World Resources Insti­tute) basata su dati forniti da IEA (International Energy Agency), la Norvegia è il Paese leader a livello mondiale per quel che ri­guarda le auto elettriche: nel 2023 l’82% delle vetture di nuova immatricolazione era di tipo completamente elettrico.

La Cina è il più grande e uno dei principali mercati per nuovi veicoli elettrici. Nel 2023, oltre il 40% dei veicoli venduti era di tipo NEV (New Energy Vehicle), ovvero elettrici e PHEV (Plug-In Hybrid Vehicle). Altre regioni del globo stanno cercando di segui­re le orme di Norvegia e Cina: nell’Unione Europea e negli Stati Uniti la quota di vet­ture elettriche è pari rispettivamente al 22 e all’8% delle immatricolazioni totali.

Secondo le stime di WRI, entro il 2030 le vendite di veicoli elettrici dovrebbe rap­presentare una quota compresa tra il 75 e il 95% delle vendite totali se si vuole conseguire l’obiettivo fissato dall’Accordo di Parigi, ovvero limitare l’aumento della temperatura media globale a 1,5 °C (poiché questo ridurrebbe sostanzialmente i rischi e gli effetti dei cambiamenti climatici).

Anche se esistono molte valide ragioni per adottare questa tecnologia, uno dei maggio­ri ostacoli è la cosiddetta “ansia da riforni­mento”, ovvero il timore che i veicoli non siano in grado di completare lunghi tragitti senza richiedere una ricarica. A differen­za dei veicoli alimentati con i tradizionali combustibili fossili, che possono essere ri­forniti in un paio di minuti, la ricarica com­pleta di un veicolo elettrico può richiedere tempi anche superiori ai 30 minuti, con tutti gli svantaggi che ciò comporta.

Per ovviare a questo inconveniente, l’e­nergia immagazzinata nella batteria deve essere utilizzata nel modo più efficiente possibile. Anche se i dispositivi in silicio (Si) assicurano prestazioni elevate, non sono in grado di soddisfare appieno le esi­genze del settore che sta rivolgendo la pro­pria attenzione verso nuovi materiali ad ampia banda proibita (WBG-Wide Band Gap) come il carburo di silicio (SiC) che consentirebbero di aumentare l’autono­mia di un veicolo elettrico in misura pari al 5%: soluzioni basate sul carburo di sili­cio a 800 V e un’idonea implementazio­ne permetterebbero inoltre di ricaricare un veicolo completamente elettrico in 12 minuti, con una riduzione di circa l’80% rispetto ai tempi attualmente richiesti.

In ogni caso, l’adozione di una nuova tecno­logia non è esente da rischi. In questo arti­colo, dopo un’analisi della tecnologia SiC, verranno illustrate le modalità adottate per garantire una fornitura stabile e affidabile.

Propulsione elettrica: concetti di base

In un veicolo elettrico, uno o più motori azionano le ruote utilizzando l’energia ero­gata dalla batteria. Un inverter di trazione trasforma la tensione continua (DC) della batteria in una tensione alternata (AC) per semplificare questa operazione. Poiché l’obiettivo prioritario è l’aumento dell’effi­cienza, il design dell’inverter è soggetto a rapidi e continui cambiamenti, soprattut­to per quanto concerne i seguenti aspetti:

• Potenza più elevata: più potente è l’in­verter, maggiori saranno le prestazioni del veicolo.
• Ottimizzazione dell’efficienza: qual­siasi porzione di energia convertita in calore nell’inverter viene sprecata in quanto non può essere utilizzata per la propulsione. Per tale motivo è indi­spensabile minimizzare le perdite.
• Incremento della tensione delle bat­terie/bus: mentre fino a qualche tempo fa le batterie più comuni erano quelle a 400 V, l’industria automobilistica sta ora adottando in misura sempre mag­giore batterie da 800 V. Ciò permette di dimezzare la corrente, riducendo così le perdite I2R e lo spessore dei cavi uti­lizzati, con conseguente diminuzione di dimensioni, peso e costi. Gli inver­ter di trazione, dal canto loro, devono essere in grado di operare in presenza di valori di tensione più elevati, il che implica il ricorso a componenti interni più robusti.
• Riduzione di peso e dimensioni: ri­spetto agli IGBT in silicio, i dispositivi SiC sono caratterizzati da una maggio­re densità di potenza, grazie alla qua­le è possibile ridurre ingombri e peso dell’inverter di trazione, con conse­guente aumento dell’autonomia del veicolo e diminuzione delle dimensioni del sistema di trazione (drivetrain). Il risultato finale sarà un veicolo più pic­colo (ideale quindi per città sempre più trafficate) o con maggior spazio a dispo­sizione per i passeggeri e i loro bagagli.

Figura 1 – La progettazione degli inverter di trazione dei veicoli elettrici è caratterizzata da un’evoluzione molto rapida

SiC al posto del silicio

Grazie a caratteristiche quali migliori pre­stazioni e maggiore robustezza, il carburo di silicio si sta proponendo come il ma­teriale ideale per lo sviluppo di complessi progetti dove sono in gioco potenze eleva­te, come appunto quelli degli inverter di trazione dei veicoli elettrici.

La conducibilità termica del carburo di si­licio (4,9 W/cm.k) è superiore di un fattore pari a quattro rispetto a quella del silicio (1,15 W/cm.K), il che significa che può ope­rare in maniera affidabile a temperature più elevate trasferendo il calore in modo più efficiente.

Il carburo di silicio è caratterizzato da una tensione di breakdown molto più elevata rispetto a quella del silicio (2500 kV/cm rispetto a 300 kV/cm), garantendo quin­di una maggiore semplicità di implemen­tazione delle architetture che utilizzano batterie a 800 V. Le migliori prestazioni di commutazione dei dispositivi SiC con­sentono di ridurre le perdite, in particolar modo nel funzionamento a frequenze ele­vate, un altro elemento determinante per diminuire le dimensioni del sistema.

Nonostante gli evidenti vantaggi del carbu­ro di silicio, vi è ancora una certa resisten­za ad abbandonare i tradizionali disposi­tivi di commutazione come a esempio gli IGBT. Tra le ragioni alla base di questa ri­luttanza nei confronti dei dispositivi SiC vi sono alcune percezioni quali immatu­rità della tecnologia, difficoltà di progetta­zione, numero limitato di fornitori e costi superiori.

Anche se alcune delle preoccupazioni ap­pena sopra delineate potevano essere fon­date in passato, la tecnologia è evoluta ra­pidamente e queste percezioni non hanno più alcuna ragione di esistere. I progettisti possono quindi utilizzare i dispositivi SiC in modo semplice e assolutamente sicuro.

I moderni dispositivi SiC assicurano un significativo incremento dell’efficienza

Ovviamente, la princiaple ragione per pas­sare ai dispositivi SiC è rappresentata dai vantaggi in termini di prestazioni correlati al loro utilizzo. Per illustrare la veridicità di questa affermazione, sono state simulate le prestazioni dei moduli di potenza NVXR­17S90M2SPB (con Rds(on) di 1,7 mΩ) e NVXR22S90M2SPB (con Rds(on) di 2,2 mΩ) da 900 V in configurazione 6-pack della serie EliteSiC di onsemi e confron­tate con quelle di un IGBT da 820 A della serie VE-Trac Direct (sempre di produzio­ne onsemi). I risultati sono decisamente interessanti:

• I dispositivi SiC operano a temperature più basse a parità di condizioni. Simu­lando una tensione di bus in continua pari a 450 V con una corrente di 550 A(rms) a una frequenza di commutazio­ne di 10 KHz, la temperatura di giunzio­ne dei moduli SiC (Tj = 111 °C) è risultata inferiore di 31 °C (21%) rispetto a quella dell’IGBT.
• Nonostante l’elevata frequenza di com­mutazione (10 kHz), le perdite di com­mutazione dei dispositivi SiC sono risul­tate notevolmente inferiori (in misura pari al 34,5% per NVXR17S90M2SPB e al 16,3% per NVXR22S90M2SPB.
• Considerando il progetto dell’inverter di trazione nel suo complesso, la ridu­zione delle perdite ottenuta passando dagli IGBT in silicio ai dispositivi SiC è stata significativa. Le perdite si sono ri­dotte del 40% (con NVXR17S90M2SPB) e del 25% (con NVXR22S90M2SPB).

Queste simulazioni si riferiscono all’in­verter di trazione, un componente chiave del sistema di trazione che rappresenta un fonte significative di perdite quando si utilizzano dispositivi IGBT. I miglioramen­ti appena sopra illustrati si traducono in un incremento dell’efficienza pari al 5% considerando il veicolo elettrico nel suo complesso. A esempio, un veicolo elettrico dotato di una batteria da 100 kW e in gra­do di percorre 500 km con i tradizionali IGBT, potrebbe viaggiare per 525 Km uti­lizzando un inverter di trazione realizzato mediante i moduli di potenza SiC, con unincremento di 25 km (5%). Senza dimen­ticare che il costo legato all’utilizzo di di­spositivi SiC in tale progetto sarebbe infe­riore del 5% rispetto a quello di un design che prevede il ricorso agli IGBT in silicio.

Maggiore potenza a parità di ingombri e migliori prestazioni termiche

Attualmente, aziende come onsemi pro­pongono moduli SiC con ingombri (fo­otprint) meccanici simili a quelli dei moduli IGBT. Risulta così possibile aggior­nare senza problemi i progetti esistenti ed eliminare la necessità di modificare il pro­cesso produttivo.

La differenza è a livello di prestazioni, poichè i dispositivi SiC sono in grado di erogare una potenza maggiore a parità di temperatura di giunzione. Il modu­lo NVXR17S90M2SPB, a esempio, a una temperatura di giunzione di 150°C forni­sce 760 A(rms) rispetto ai 590 A(rms) di un modulo IGBT, il che corrisponde a un incremento del 29%.

Ancora più importante, la resistenza termi­ca è inferiore in misura fino al 20%, il che si traduce in un incremento della capacità di trasportare il calore verso il dispositivo di raffreddamento. Ciò è possibile grazie alla sinterizzazione del chip SiC mediante un processo DBC (Direct Bond Copper).

I vantaggi legati all’utilizzo di frequenze di commutazione più elevate sono ampiam­te riconosciuti, compresa la possibilità di ridurre le dimensioni, il peso e il costo di componenti passivi talvolta ingombranti.

L’avanzata tecnologia di interconnessione associata al processo di stampaggio per trasferimento (TM – Transfer Moulding) utilizzato da onsemi permette di ridur­re l’induttanza parassita all’interno del package, che assume un’importanza signi­ficativa per l’efficienza della commutazio­ne ad alta velocità.

Oltre a ciò, i package realizzati mediante stampaggio per trasferimento possono operare a temperature fino a 200 °C. Ciò consente non solo di ridurre gli oneri connessi al raffreddamento all’interno del veicolo, ma anche di eliminare il ricorso a dissipatori e di utilizzare pompe più pic­cole per il liquido di raffreddamento.

Per conferire una sempre maggiore effi­cienza ai veicoli elettrici, val la pena sot­tolineare che, al pari degli inverter, altri componenti del veicolo possono benefi­ciare di molti dei vantaggi legati all’uso di dispositivi SiC. Ciò è valido in particolare per qualsiasi applicazione ad alta potenza, compresi i motori, le ventole, le pompe e il sistema di riscaldamento, tutti elementi presenti a bordo di un veicolo.

Figura 2 – Una migliore gestione termica è fondamentale per il progetto di inverter di trazione compatti

Evoluzione della catena di fornitura e dell’ecosistema SiC

Per garantire la più ampia disponibilità possibile della tecnologia SiC, onsemi ha acquisito GT Advanced Technologies, al fine di sfruttare la capacità produttiva e le competenze tecniche di quest’ultima.

Attualmente, onsemi è un produttore su larga scala di soluzioni SiC con capacità di fornitura “end-to-end” – accrescimen­to dei cristalli (boule) di carburo di sili­cio, substrati, epitassia, fabbricazione dei dispositivi e realizzazione di soluzioni in package discreti e moduli integrati.

L’ecosistema SiC di onsemi include la fab­bricazione a partire da wafer da 150 mm (e in un prossimo futuro da 200 mm) di pro­dotti discreti, circuiti integrati e moduli, il tutto corredato da un ampio supporto per la fase di design sotto forma di documen­tazione e progetti di riferimento. Con un supporto di questo tipo, gli OEM che ope­rano nel settore automotive possono effet­tuare in assoluta tranquillità il passaggio ai dispositivi SiC.

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A cura di onsemi