Il carburo di silicio è diventato uno dei materiali semiconduttori più importanti nell'elettronica di potenza dei veicoli elettrici. Tuttavia, il SiC non viene normalmente utilizzato per la produzione delle celle della batteria, del motore elettrico o della carrozzeria del veicolo.

Invece, i wafer di carburo di silicio vengono trasformati in dispositivi a semiconduttore di potenza come MOSFET SiC e diodi a barriera Schottky SiC. Questi dispositivi controllano e convertono l'elettricità ad alta tensione all'interno del veicolo.

Le principali applicazioni automobilistiche includono inverter di trazione, caricabatterie di bordo, convertitori DC-DC ad alta tensione e selezionati sistemi di alimentazione ausiliaria. Il SiC sta diventando sempre più importante anche nelle infrastrutture di ricarica.

Breve panoramica delle applicazioni del SiC nei veicoli elettrici

Comprensione del flusso di potenza all'interno di un veicolo elettrico

Una batteria di trazione EV fornisce corrente continua, mentre il motore di propulsione normalmente richiede corrente alternata controllata. La ricarica, la guida, la frenata rigenerativa e l'alimentazione dell'elettronica a bassa tensione richiedono tutti la conversione dell'elettricità tra diverse tensioni e forme.

Queste conversioni vengono eseguite da sistemi di elettronica di potenza.

I veicoli elettrici tradizionali utilizzano comunemente IGBT al silicio, MOSFET al silicio e diodi al silicio. Questi dispositivi rimangono adatti a molte applicazioni, specialmente dove il costo, il funzionamento a bassa tensione e la produzione consolidata sono le priorità principali.

Tuttavia, all'aumentare della tensione e della potenza del veicolo, la perdita di commutazione, la generazione di calore e le dimensioni dei componenti diventano più importanti. È qui che i dispositivi a banda larga SiC offrono vantaggi significativi.

1. Inverter di trazione: l'applicazione SiC più importante in un EV

L'inverter di trazione è attualmente l'applicazione automobilistica più importante per il carburo di silicio.

Durante l'accelerazione, l'inverter converte l'elettricità DC dalla batteria di trazione in elettricità AC trifase per il motore. Controlla anche la velocità e la coppia del motore.

Durante la frenata rigenerativa, il processo di conversione funziona al contrario. L'elettricità generata dal motore viene riconvertita in DC e restituita alla batteria.

Poiché l'inverter di trazione commuta ripetutamente alte tensioni e grandi correnti, può produrre considerevoli perdite di conduzione e di commutazione. Gli IGBT al silicio tradizionali sono maturi e affidabili, ma il loro comportamento di commutazione può limitare l'efficienza a frequenze operative più elevate.

I MOSFET SiC possono fornire:

• Minori perdite di commutazione
• Minori perdite legate al recupero inverso
• Frequenze di commutazione più elevate
• Capacità ad alta tensione
• Minori requisiti di raffreddamento in un sistema ottimizzato
• Maggiore densità di potenza dell'inverter
• Potenziali riduzioni delle dimensioni e del peso dell'inverter

Il miglioramento effettivo dell'efficienza dipende dalla velocità del veicolo, dal carico del motore, dalla strategia di commutazione, dal design del raffreddamento e dal ciclo di guida. Il SiC non garantisce un aumento fisso dell'autonomia di guida, ma la riduzione delle perdite dell'inverter può migliorare l'utilizzo complessivo dell'energia.

Il beneficio è spesso particolarmente prezioso durante il funzionamento a carico parziale, la guida in autostrada e altre condizioni in cui l'efficienza dell'elettronica di potenza influisce fortemente sul consumo totale del veicolo.

2. Caricabatterie di bordo

Il caricabatterie di bordo, o OBC, converte l'elettricità AC esterna in elettricità DC controllata per caricare la batteria di trazione.

Le sue fasi di conversione di potenza possono includere:

• Filtro di ingresso AC
• Correzione del fattore di potenza
• Conversione AC-DC
• Conversione DC-DC isolata o non isolata
• Regolazione della tensione e della corrente della batteria

I MOSFET SiC e i diodi Schottky SiC possono essere utilizzati nelle fasi di correzione del fattore di potenza e DC-DC. La loro capacità di commutazione ad alta frequenza consente agli ingegneri di ridurre le dimensioni di alcuni trasformatori, induttori e condensatori.

I potenziali benefici dell'OBC includono:

• Maggiore efficienza di conversione
• Minore generazione di calore
• Componenti magnetici più piccoli
• Maggiore densità di potenza
• Minore peso del sistema
• Migliore idoneità per batterie ad alta tensione

I caricabatterie di bordo bidirezionali possono anche supportare operazioni vehicle-to-grid, vehicle-to-home o vehicle-to-load. Queste funzioni richiedono una conversione di energia bidirezionale efficiente e rappresentano un'altra potenziale applicazione per gli interruttori SiC.

Tuttavia, la selezione dei componenti dipende ancora dalla potenza del caricabatterie, dalla topologia di commutazione, dalla tensione, dai requisiti termici e dal costo target.

3. Convertitore DC-DC ad alta tensione

Un veicolo elettrico contiene normalmente sistemi elettrici sia ad alta che a bassa tensione.

La batteria di trazione può funzionare a diverse centinaia di volt, mentre l'illuminazione, l'infotainment, i sensori, i controller e altri componenti elettronici funzionano comunemente da un sistema a 12 V o 48 V.

Il convertitore DC-DC ad alta tensione riduce la tensione della batteria di trazione alla bassa tensione richiesta. Alimenta anche l'elettronica del veicolo e carica la batteria a bassa tensione.

I dispositivi SiC possono essere utilizzati nei convertitori DC-DC ad alta potenza per fornire una commutazione efficiente e ridurre le dimensioni del sistema. Le loro prestazioni possono supportare frequenze di commutazione più elevate, che possono ridurre le dimensioni dei componenti magnetici.

Non tutti i convertitori DC-DC automobilistici richiedono SiC. I MOSFET al silicio possono rimanere più economici per stadi a bassa potenza o a bassa tensione. Il valore del SiC aumenta quando il convertitore deve gestire alta tensione di ingresso, alta potenza e condizioni termiche impegnative.

4. Compressore del climatizzatore elettrico

A differenza di un motore a combustione interna, un veicolo elettrico non può fare affidamento sul calore di scarto del motore per gestire tutti i requisiti di temperatura dell'abitacolo e della batteria. I compressori elettrici, le pompe di calore, le pompe del liquido refrigerante e i riscaldatori ad alta tensione svolgono quindi un ruolo importante nella gestione termica del veicolo.

Un compressore del climatizzatore elettrico contiene un motore e un inverter che controlla il motore. I MOSFET SiC possono essere utilizzati in selezionati inverter di compressori ad alta tensione per ridurre la perdita di potenza e migliorare le prestazioni ad alta temperatura.

I possibili vantaggi includono:

• Migliore efficienza di azionamento del compressore
• Minore generazione di calore dell'inverter
• Elettronica di potenza più compatta
• Migliore compatibilità con architetture ad alta tensione

L'applicazione è meno universale dell'inverter di trazione. Se il SiC è economicamente giustificato dipende dalla potenza del compressore, dalla tensione operativa, dal design termico e dai guadagni di efficienza previsti.

5. Riscaldatori ad alta tensione e sistemi ausiliari

I dispositivi di potenza SiC possono apparire anche in selezionati sistemi ausiliari ad alta tensione, tra cui:

• Controller del riscaldatore PTC
• Elettronica di potenza della pompa di calore
• Pompe del liquido refrigerante elettriche
• Pompe dell'olio elettriche
• Compressori d'aria per celle a combustibile
• Azionamenti motore ausiliari
• Interruttori automatici a stato solido
• Fusibili elettronici
• Moduli di potenza bidirezionali
• Unità di distribuzione ad alta tensione

Molti di questi sistemi utilizzano ancora dispositivi al silicio. Il SiC è più probabile che venga selezionato quando alta tensione, alta frequenza di commutazione, imballaggio compatto o ridotti requisiti di raffreddamento giustificano il costo aggiuntivo del dispositivo.

6. Apparecchiature di ricarica rapida DC

Un caricabatterie rapido DC non è installato all'interno del veicolo, ma è una parte importante dell'ecosistema di potenza degli EV.

I caricabatterie rapidi convertono la corrente alternata della rete in corrente continua ad alta tensione regolata, che viene erogata direttamente alla batteria di trazione. All'aumentare della potenza di uscita del caricabatterie, i moduli di conversione devono gestire tensioni, correnti e carichi termici più elevati.

I MOSFET e i diodi SiC possono aiutare i moduli di ricarica a raggiungere:

• Maggiore efficienza di conversione di potenza
• Minori perdite di commutazione
• Frequenze di commutazione più elevate
• Moduli di potenza più piccoli
• Minore richiesta di raffreddamento
• Maggiore potenza di uscita all'interno di un volume di cabinet limitato

L'uso del SiC non determina autonomamente la velocità di ricarica. La velocità di ricarica massima dipende anche dalla batteria del veicolo, dallo stato di carica, dalla temperatura della batteria, dal protocollo di ricarica, dalla capacità del cavo e dalla strategia di gestione termica.

Perché il SiC è importante per le piattaforme EV a 800 V?

Aumentare la tensione del sistema della batteria consente a un veicolo di trasmettere la stessa potenza a una corrente inferiore.

Una corrente inferiore può ridurre le perdite resistive nei cavi, nelle barre di distribuzione e nei collegamenti elettrici. Può anche supportare una maggiore potenza di ricarica senza richiedere un aumento eccessivo delle dimensioni dei conduttori.

Tuttavia, una tensione di sistema più elevata impone requisiti più stringenti su:

• Tensione di breakdown dei semiconduttori
• Prestazioni di commutazione
• Isolamento elettrico
• Materiali di imballaggio
• Distanze di creepage e clearance
• Sistemi di raffreddamento e protezione

Il carburo di silicio ha un campo elettrico critico molto più elevato del silicio. Può quindi supportare dispositivi di potenza ad alta tensione con perdite di commutazione e conduzione relativamente basse.

Ciò rende il SiC particolarmente attraente per gli inverter di trazione, i caricabatterie di bordo e i convertitori DC-DC di classe 800 V. È uno dei motivi per cui l'adozione del SiC spesso inizia con piattaforme di veicoli ad alta tensione e ad alte prestazioni.

Quali forme di carburo di silicio sono installate in un veicolo?

Un wafer grezzo di SiC non viene normalmente installato direttamente in un veicolo elettrico. Deve passare attraverso diverse fasi di produzione.

1. Crescita del cristallo di SiC

Materiale grezzo di SiC ad alta purezza viene lavorato a temperature estremamente elevate per far crescere un boule di SiC monocristallino.

2. Produzione del substrato

Il boule viene orientato, affettato, rettificato, lucidato e pulito per produrre substrati di SiC. Per i dispositivi di potenza automobilistici, viene comunemente utilizzato il 4H-SiC conduttivo.

3. Crescita epitassiale

Uno strato epitassiale di SiC controllato viene fatto crescere sul substrato lucidato. Il suo spessore e drogaggio sono progettati in base alla tensione del dispositivo richiesta e alle prestazioni elettriche.

4. Fabbricazione del dispositivo

Processi semiconduttori a livello di wafer creano MOSFET SiC, diodi Schottky o altri dispositivi di potenza.

5. Imballaggio e assemblaggio del modulo

I dispositivi vengono tagliati, collegati elettricamente e assemblati in package discreti o moduli di potenza. Il modulo finito può includere die semiconduttori, conduttori metallici, substrati ceramici, piastre di base e interfacce di raffreddamento.

6. Integrazione del sistema automobilistico

I dispositivi o moduli confezionati vengono integrati nell'inverter, nel caricabatterie o nel convertitore. Driver di gate, barre di distribuzione, condensatori, sistemi di raffreddamento e software di controllo devono essere tutti ottimizzati per il comportamento elettrico del SiC.

Perché il SiC migliora l'elettronica di potenza degli EV?

Minore perdita di commutazione

I MOSFET SiC possono commutare in modo più efficiente degli IGBT al silicio in molte applicazioni ad alta tensione. Una minore perdita di commutazione riduce l'energia sprecata e la generazione di calore.

Maggiore frequenza di commutazione

Una frequenza operativa più elevata può ridurre le dimensioni di alcuni trasformatori, induttori e condensatori. Tuttavia, una frequenza più elevata aumenta anche l'importanza dell'interferenza elettromagnetica e del controllo del layout del circuito.

Capacità ad alta temperatura

L'ampia banda proibita del SiC supporta il funzionamento in condizioni di temperatura più impegnative. La temperatura massima pratica è ancora limitata dall'imballaggio, dalle interconnessioni, dai driver di gate e dai requisiti di affidabilità del sistema.

Maggiore densità di potenza

Minore perdita e maggiore frequenza di commutazione consentono di gestire più potenza in un volume più piccolo quando l'intero sistema è progettato di conseguenza.

Prestazioni ad alta tensione

Il SiC è ben adatto alle classi di tensione utilizzate nei moderni sistemi di trazione e ricarica degli EV, in particolare nelle piattaforme ad alta tensione.

Il SiC aumenta sempre l'autonomia di guida degli EV?

Il SiC può ridurre le perdite di conversione di potenza, ma non esiste una percentuale universale di aumento dell'autonomia del veicolo.

Il risultato dipende da:

• Tensione e capacità della batteria
• Efficienza del motore
• Topologia dell'inverter
• Velocità di guida
• Massa e aerodinamica del veicolo
• Temperatura ambiente
• Design del sistema di raffreddamento
• Strategia di controllo
• Ciclo di guida urbano o autostradale

I produttori possono utilizzare il beneficio di efficienza in modi diversi. Un design può estendere l'autonomia di guida, mentre un altro può ridurre la capacità della batteria, diminuire le dimensioni del sistema di raffreddamento o aumentare le prestazioni del veicolo.

Il SiC dovrebbe quindi essere valutato a livello di sistema piuttosto che solo confrontando le specifiche dei singoli semiconduttori.

Perché il SiC non viene utilizzato in ogni componente di potenza degli EV?

Il carburo di silicio offre prestazioni elevate, ma introduce anche sfide tecniche e commerciali.

Costo più elevato di materiale e dispositivo

La crescita del cristallo di SiC e la lavorazione dei wafer sono più difficili della produzione convenzionale di silicio. Ciò contribuisce a costi più elevati di substrato e dispositivo.

Controllo dei difetti cristallini e superficiali

Micropipe, dislocazioni, difetti di impilamento, graffi superficiali e danni sottosuperficiali possono influire sulla crescita epitassiale e sulla resa del dispositivo. Le applicazioni automobilistiche richiedono una rigorosa coerenza e tracciabilità del materiale.

Requisiti del driver di gate

I MOSFET SiC commutano rapidamente e richiedono driver di gate, circuiti di protezione e controllo di commutazione attentamente progettati.

Induttanza parassita

Le rapide transizioni di corrente e tensione rendono particolarmente importanti il layout del modulo, il design delle barre di distribuzione e l'induttanza del package.

Interferenza elettromagnetica

Velocità di commutazione più elevate possono creare sfide di compatibilità elettromagnetica se l'intero sistema di potenza non è progettato correttamente.

Protezione da cortocircuito

I dispositivi SiC possono richiedere un rilevamento e una protezione dei guasti più rapidi rispetto agli IGBT al silicio tradizionali, a seconda del dispositivo e del design del sistema.

Per sistemi a bassa tensione o sensibili al costo, i MOSFET e gli IGBT al silicio possono ancora fornire il miglior equilibrio tra prestazioni, maturità e costo.

Selezione dei substrati SiC per lo sviluppo di dispositivi di potenza automobilistici

La qualità del substrato SiC influisce direttamente sulla crescita epitassiale e sulla fabbricazione del dispositivo. Quando si acquistano wafer per lo sviluppo di semiconduttori di potenza automobilistici, gli acquirenti dovrebbero specificare più del diametro e dello spessore del wafer.

I parametri importanti per le richieste di preventivo includono:

• Polimorfo, comunemente 4H-SiC
• Tipo di conduttività
• Drogante e intervallo di resistività
• Diametro del wafer
• Orientamento cristallino
• Angolo e direzione fuori asse
• Lato Si o lato C
• Spessore nominale e tolleranza
• Variazione dello spessore totale
• Arco e deformazione
• Lucidatura su un lato o su entrambi i lati
• Rugosità superficiale
• Requisiti di micropipe e dislocazione
• Limiti dei difetti superficiali
• Specifiche del bordo, del piano o della tacca
• Identificazione del wafer e tracciabilità del lotto
• Requisiti di certificato di analisi e mappa del wafer
• Requisiti di pulizia e imballaggio

I wafer di ricerca, i wafer dummy e i substrati di grado per dispositivi non devono essere trattati come materiali intercambiabili. Il grado corretto deve essere selezionato in base all'epitassia, allo sviluppo del processo, alla calibrazione delle apparecchiature o ai requisiti di produzione del dispositivo.

Conclusione

Il carburo di silicio viene utilizzato principalmente nei sistemi di conversione di potenza ad alta tensione dei veicoli elettrici. La sua applicazione più importante è l'inverter di trazione, seguito dai caricabatterie di bordo, dai convertitori DC-DC ad alta tensione e da selezionati sistemi di gestione termica o di alimentazione ausiliaria.

I dispositivi SiC agiscono come interruttori elettronici ad alta velocità. Non immagazzinano energia né azionano direttamente il veicolo meccanicamente. Piuttosto, controllano come l'energia elettrica si muove tra la batteria, il motore, l'ingresso di ricarica e l'elettronica del veicolo.

La loro minore perdita di commutazione, la capacità ad alta tensione e il potenziale per una maggiore densità di potenza li rendono particolarmente attraenti per i veicoli elettrici ad alte prestazioni e di classe 800 V. Tuttavia, il valore finale dipende dalla progettazione completa del sistema, inclusi imballaggio, pilotaggio del gate, raffreddamento, protezione e compatibilità elettromagnetica.

Poiché i sistemi elettrici degli EV continuano a muoversi verso tensioni più elevate, ricarica più rapida ed elettronica di potenza più compatta, si prevede che il carburo di silicio svolgerà un ruolo sempre più importante accanto ai dispositivi al silicio convenzionali.