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I prossimi inverter: carburo di silicio e nitruro di gallio

I nuovi semiconduttori si apprestano a rimpiazzare il silicio sugli inverter delle auto ibride ed elettriche, ma il futuro è tutto da scrivere – di CARLO PLATELLA

La ricerca nell’industria dell’auto elettrica prosegue in diversi ambiti. Batterie e motori sono i componenti più celebri, ma grande interesse verte attorno agli inverter e in generale ai Power Electronics, ossia a tutta la componentistica elettrica che modula voltaggio, corrente, frequenza e in generale la gestione della potenza tra batteria e motori. Gli inverter basati sugli IGBT al silicio sono i più popolari nell’industria contemporanea, ma è in atto un processo di sostituzione che sta portando alla ribalta nuovi materiali e tecnologie.

I semiconduttori

Le case costruttrici guardano con sempre maggiore interesse agli WBG, acronimo di Wide Band-Gap Semiconductors, ossia semiconduttori a grande gap di energia. In generale, i semiconduttori sono una classe di materiali la cui conduttività elettrica non è costante, ma varia sotto l’influenza di altre proprietà, come ad esempio la temperatura e il voltaggio. Nel dettaglio, i WBG sono semiconduttori in grado di sostenere elevati campi elettrici e quindi alti voltaggi. Inoltre possono essere operati ad elevate frequenze di switch, il che implica migliori prestazioni e minori problemi di filtraggio. Le alte frequenze infine fan sì che l’energia elettrica sia discretizzata in “pacchetti” più piccoli, motivo per cui nei vari condensatori e induttori si va a accumulare una minore quantità di energia, aprendo alla possibilità di ridurne le dimensioni. Questo fa sì che il prodotto finale garantisca pari prestazioni con dimensioni e peso minori risparmiando sui materiali o viceversa che assicuri maggiori prestazioni a parità di ingombri. Il vantaggio principale però è ovviamente la migliore efficienza, riducendo le perdite energetiche ed estendendo l’autonomia del veicolo a parità di capacità della batteria.

Il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) presentano entrambi un salto energetico tra le proprie bande di valenza tre volte superiore a quello del silicio puro. Questo fa sì che vi sia una differenza più netta tra il loro stato conduttivo e quello invece di isolante elettrico. Il nitruro di gallio però vanta una maggiore mobilità degli elettroni, che nel confronto con il carburo di silicio può essere fino al 30% superiore. Il carburo di silicio invece può contare su una maggiore conducibilità termica, il che lo rende ideale nell’impiego in applicazioni ad alta potenza dove si verificano grandi dispersioni di calore, come ad esempio sulle auto elettriche e in generale nel settore della mobilità. Viceversa, secondo Navitas Semiconductor, azienda americana specializzata in superconduttori, l’alta mobilità elettronica del nitruro di gallio lo rende adatto ad applicazioni ad alte prestazioni e alta frequenza, ma a basse potenze. Inoltre, solo una piccola frazione del chip è consumata dall’elettrodo, così che l’utilizzo di GaN assicuri una bassa capacità, agevolando il raggiungimento di elevate frequenze di switch.

i prossimi inverter: carburo di silicio e nitruro di gallio Il nuovo modulo di potenza della Marelli

Gli inverter presenti e futuri

Gli inverter al carburo di silicio sono già una realtà affermata nel panorama dell’auto elettrica, in rapido sopravvento sui componenti tradizionali al silicio. Tra i tanti esempi reperibili citiamo quello della nuova Maserati GranTurismo Folgore, come spiegato a FormulaPassion.it dall’ingegner Davide Danesin, GT Line Program Director presso il marchio modenese: “Sin da subito siamo voluti andare su una tecnologia di mosfet più evoluta che è quella dei carburi di silicio. È una tecnologia che viene usata nelle corse da molto tempo, soprattutto da quando c’è l’elettrificazione, non solo in Formula E, ma anche in Formula 1. È la migliore soluzione nota dal punto di vista della capacità di controllare correnti molto alte e sono particolarmente efficienti nel convertire ad alta frequenza le correnti continue in arrivo dalla batteria”.

Marelli, nuovo inverter al carburo di silicio da 800 Volt

Discorso leggermente diverso per il nitruro di gallio, che si stima al momento possa essere impiegato in applicazioni fino a 650 Volt e 20 kW, contro gli oltre 1000 V e i 20000 kW del carburo di silicio. Secondo IDTechEx inoltre, gli inverter al nitruro di gallio avrebbero ancora dei costi proibitivi, ma nel medio termine potrebbero arrivare sul mercato unità ibride al carburo di silicio e nitruro di gallio per voltaggi fino a 600 V. Ancora prima, le previsioni stimano la diffusione di moduli di ricarica interni da 400 V e convertitori DC-DC al nitruro di gallio, potendone sfruttare i benefici grazie ai minori valori di voltaggio e potenza in gioco.