Azionamenti motore
I circuiti di azionamento dei motori standard sono tradizionalmente collocati in un involucro separato dal motore, con conseguente aumento del peso e delle dimensioni complessive dell'architettura dell'azionamento. Inoltre, i cavi di interfaccia tra il circuito di azionamento e il motore aggiungono induttanza al circuito, con la possibilità di provocare una sovratensione transitoria al motore da parte dell'azionamento ad alta frequenza. Questo può anche portare a un progetto inefficiente dal punto di vista della densità di potenza.
Nell'attuale mondo della gestione dell'alimentazione, i transistor di potenza ad ampio bandgap, come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), consentono ai progettisti di ridurre l'elettronica di potenza aumentando la frequenza di commutazione. Inoltre, poiché SiC e GaN sono molto più efficienti e dissipano meno calore, sono necessari dissipatori di calore più piccoli. Le dimensioni ridotte consentono di integrare i componenti dell'azionamento nel motore stesso, ottenendo un sistema più leggero e compatto.
Questo miglioramento dell'architettura è particolarmente importante per i motori di trazione dei veicoli elettrici, dove peso ed efficienza sono i fattori più desiderati. (Figura 1).
Figura 1: La trasmissione di un veicolo elettrico (EV), utilizzando MOSFET SiC, può essere creata in un Integrated Modular Motor Drive (IMMD) che fornisce una maggiore efficienza, velocità di commutazione più elevate e un funzionamento più freddo, soddisfacendo al contempo i severi requisiti di qualità dell'industria automobilistica (immagine per gentile concessione di Wolfspeed).
Vantaggi degli elementi di potenza WGP
I vantaggi principali dei dispositivi WBG sono dovuti alle minori perdite complessive, alle capacità di commutazione rapida e alle capacità di funzionamento ad alta temperatura. SiC e GaN saranno i principali dispositivi WBG per le architetture di potenza. Considerando gli intervalli di tensione dei dispositivi WBG, i transistor di potenza GaN hanno tensioni nominali fino a 650V, mentre il SiC parte da 650V e arriva fino a 10kV nei moduli.
I progetti di azionamenti per motori nel settore aerospaziale, nei sistemi di trazione dei veicoli e in altri settori trarranno vantaggio da WBG e IMMD. Oltre alla riduzione delle dimensioni e del peso, il costo più elevato dei dispositivi WBG può essere compensato dall'eliminazione dell'armadio separato e dei relativi connettori e cavi. Inoltre, l'assenza di cavi di collegamento riduce la corrente di dispersione nell'isolamento degli avvolgimenti del motore, aumentandone la durata e migliorando le interferenze elettromagnetiche (EMI). Infine, i costi di installazione, produzione e manutenzione saranno ridotti.
Considerando gli intervalli di tensione dei dispositivi WBG, i transistor di potenza GaN hanno tensioni nominali fino a 650V, mentre il SiC parte da 650V e si estende fino a 10kV nei moduli.
Ibridi SiC/Si
Figura 2: Schema di un modulo di potenza ad alta potenza, a bassa perdita e affidabile per inverter di trazione (immagine per gentile concessione di Mitsubishi).
Figura 3: Commutazione ad alta velocità per SiC vs. Si (Immagine per gentile concessione di Mitsubishi)
Recupero inverso
La corrente di recupero inversa del diodo e le perdite di commutazione dell'IGBT possono essere drasticamente ridotte sostituendo il diodo PiN a ruota libera in silicio con un diodo a barriera Schottky (SBD) in SiC.
I diodi a barriera Schottky SiC sono caratterizzati da una carica di recupero inversa (Qrr) pari a zero per operazioni di commutazione ultraveloci. Il Qrr bassissimo dei diodi SBD SiC si traduce in una riduzione delle perdite di commutazione in una tipica applicazione basata su IGBT hard-switched. Ciò riduce la temperatura del case dell'IGBT, migliorando l'efficienza del sistema e consentendo eventualmente una riduzione delle dimensioni dell'IGBT al silicio. (Figura 4)
Figura 4: Carica di recupero inversa (Qrr) di diodi SiC Schottky a 650V (figura a sinistra) e 1200V (figura a destra) e diodi bipolari al silicio a varie temperature. Le aree ombreggiate rappresentano l'energia sprecata a causa della ricombinazione dei portatori minoritari del diodo bipolare al silicio. (Immagine per gentile concessione di CREE)
Applicazioni dei dispositivi WBG negli azionamenti dei motori
I dispositivi WBG offrono vantaggi significativi per molte applicazioni, tra cui gli azionamenti dei motori. La Figura 5 illustra le applicazioni per motori a bassa induttanza, alta velocità e alta temperatura, i requisiti importanti e i limiti delle soluzioni Si.
Figura 5: Diverse applicazioni WBG negli azionamenti dei motori (immagine dalla referenza 1, sotto)
Possiamo quindi notare che i dispositivi WBG consentono di utilizzare in modo efficiente motori ad alta potenza e bassa induttanza che richiedono un'elevata frequenza di commutazione e un'elevata larghezza di banda. E non dimentichiamo il veicolo elettrico, che utilizza una sofisticata elettronica di potenza per gestire il flusso di energia tra la domanda delle ruote, il motore a combustione e i dispositivi di stoccaggio. Anche i caricabatterie sono un'applicazione eccellente per i dispositivi SiC, che possono così compiere la loro magia. Altre applicazioni nasceranno dalle esigenze dell'industria e dalle menti fertili degli ingegneri progettisti.
Riferimenti
- Dispositivi ad ampio bandgap negli azionamenti elettrici in CA: Opportunities and Challenges, Ajay Kumar Morya, Member IEEE, Matthew C. Gardner, Student Member IEEE, Bahareh Anvari, Member IEEE, Liming Liu, Senior Member IEEE, Alejandro G. Yepes, Member IEEE, Jesús Doval-Gandoy, Member IEEE, and Hamid A. Toliyat, Fellow IEEE, IEEE TRANSACTIONS ON TRANSPORTATION ELECTRIFICATION, VOL. 5, NO. 1, MARZO 2019
