Modulo SiC ad Alta Densità per Auto Elettriche
Nel panorama in rapida evoluzione della mobilità elettrica, l’efficienza e la potenza del sistema di trazione rappresentano i parametri chiave che definiscono le prestazioni di un veicolo. Tra i componenti più critici di questo sistema, i moduli di potenza dell’inverter rivestono un ruolo fondamentale, agendo come cuore pulsante che converte l’energia della batteria in movimento. Un recente studio pubblicato sulla rivista Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition) ha portato alla luce un’innovazione tecnologica destinata a ridefinire gli standard di progettazione di questi dispositivi. Un team di ricercatori guidato da Hui Xiaoshuang, Ning Puqi, Li Dongrun e Kang Yuhui, affiliati all’Istituto di Ingegneria Elettrica dell’Accademia delle Scienze Cinese e all’Università dell’Accademia delle Scienze Cinese, ha sviluppato un modulo trifase completo in carburo di silicio (SiC) con una densità di potenza senza precedenti, progettato specificamente per le esigenze dei veicoli elettrici di prossima generazione.
Il modulo, progettato per operare a 1.200 volt e 500 ampere, rappresenta un significativo balzo in avanti rispetto ai design tradizionali, affrontando direttamente le tre principali limitazioni dei moduli di potenza convenzionali: dimensioni eccessive, induttanza parassita elevata e gestione termica inefficiente. La soluzione proposta dal team cinese si basa su un approccio di packaging radicalmente nuovo, che abbandona la classica architettura bidimensionale basata sui fili di bondaggio per adottare una struttura tridimensionale a strati multipli. Questo passo innovativo è essenziale per sfruttare appieno il potenziale dei dispositivi in SiC, che, pur offrendo vantaggi straordinari in termini di velocità di commutazione, perdite ridotte e temperatura di esercizio più alta, sono spesso limitati dalle tecnologie di packaging obsolete.
La chiave del successo di questo progetto risiede nell’adozione di un’unità DBC (Direct Bonded Copper) a strati multipli. A differenza dei moduli tradizionali, dove i chip di potenza sono montati su un singolo substrato ceramico con i fili di collegamento che corrono in superficie, il design innovativo utilizza due substrati DBC sovrapposti. I terminali di drain dei chip MOSFET in SiC sono saldati direttamente sulla DBC inferiore, mentre i terminali di gate e source sono collegati, tramite fili di bondaggio, alla DBC superiore. Questa configurazione verticale raddoppia efficacemente l’area conduttiva disponibile all’interno della stessa impronta fisica. Il risultato è la possibilità di parallellare un numero maggiore di chip, aumentando la capacità di corrente e, di conseguenza, la densità di potenza complessiva del modulo.
Uno dei risultati più eclatanti è la drastica riduzione dell’induttanza parassita. Questo parametro, spesso trascurato, è in realtà un nemico silenzioso dell’efficienza e della stabilità. Un’induttanza parassita elevata provoca picchi di tensione durante le rapide commutazioni, generando interferenze elettromagnetiche (EMI) e, cosa ancora più critica, oscillazioni indesiderate sul segnale di gate. Queste oscillazioni possono destabilizzare l’intero sistema, portando a falsi trigger e, in casi estremi, alla distruzione del transistor. Utilizzando sofisticati strumenti di simulazione elettromagnetica (Ansys Q3D), i ricercatori hanno misurato l’induttanza parassita totale del loro modulo prototipo a soli 4,74 nanohenry (nH). Per confronto, un modulo tradizionale con specifiche simili presenta un’induttanza di 18,84 nH. Si tratta di una riduzione del 74,8%, un dato che non è solo impressionante sulla carta, ma che si traduce in benefici tangibili.
Questa bassissima induttanza garantisce commutazioni estremamente pulite e veloci, essenziali per massimizzare l’efficienza del veicolo. Le prove sperimentali hanno dimostrato che, anche a correnti elevate, il segnale di gate rimane stabile e privo di oscillazioni, un aspetto cruciale per la longevità e l’affidabilità del sistema di trazione. Questo livello di stabilità consente l’uso di frequenze di commutazione più elevate, il che a sua volta permette di ridurre le dimensioni di componenti passivi come induttori e condensatori, contribuendo ulteriormente alla miniaturizzazione dell’intero inverter.
Parallelamente al miglioramento delle prestazioni elettriche, il team ha ottenuto un notevole successo nella riduzione delle dimensioni. Grazie all’ottimizzazione della disposizione interna e al raddoppio dell’area conduttiva, il nuovo modulo ha visto le sue dimensioni complessive ridotte del 34,9% rispetto a un design tradizionale. Il modulo finale, con una cella di dimensioni 59 mm x 32 mm, riesce a contenere un intero ponte trifase completo all’interno di un ingombro fisico simile a quello di un modulo commerciale monofase in formato EconoDUAL. Questo livello di miniaturizzazione è un vantaggio strategico per i costruttori automobilistici. Un inverter più piccolo e leggero significa più spazio disponibile nel vano motore, un miglior bilanciamento dei pesi e, soprattutto, un aumento dell’autonomia del veicolo grazie alla riduzione della massa complessiva.
La riduzione delle dimensioni, tuttavia, intensifica la sfida della gestione termica. Concentrare più potenza in un volume più piccolo genera una densità termica significativamente più alta. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno integrato un sistema di raffreddamento ad acqua ad alte prestazioni basato su un dissipatore a pin-fin. Questa struttura, caratterizzata da una fitta foresta di piccole alette, massimizza la superficie di scambio termico con il liquido refrigerante, garantendo un’efficace rimozione del calore generato dai chip di SiC.
Per validare la progettazione termica, sono state condotte estese simulazioni di dinamica dei fluidi computazionale (CFD). Il modello ha considerato una perdita termica totale di 5.400 watt per l’intero modulo trifase, con ogni chip che dissipa circa 150 watt. Con un flusso d’acqua in ingresso a 25 °C e una velocità di 0,52 m/s, la simulazione ha predetto una temperatura massima di giunzione (junction temperature) di 148,42 °C e una temperatura media di 123,24 °C in condizioni di funzionamento stazionario. Questi valori, ben al di sotto del limite massimo di 175-200 °C tipico per i dispositivi in SiC, dimostrano l’efficacia del percorso termico progettato.
Per confermare i risultati della simulazione, il team ha proceduto alla costruzione di un prototipo fisico e alla sua rigorosa sperimentazione. Un test termico chiave ha coinvolto l’applicazione di una corrente continua di 300 A a una singola fase del modulo, configurata in cortocircuito. L’andamento termico della superficie del modulo è stato monitorato in tempo reale utilizzando una termocamera a infrarossi. Le misurazioni hanno registrato una temperatura massima di giunzione di 158 °C. Sebbene leggermente superiore alla previsione simulata (una differenza comune dovuta a imperfezioni nel mondo reale, come variazioni nei materiali o nei giunti saldati), questo risultato conferma la robustezza del design termico e la capacità del modulo di operare in sicurezza anche sotto carichi estremi tipici delle fasi di accelerazione massima.
Le prestazioni elettriche dinamiche sono state verificate tramite un test a doppio impulso, il metodo standard per valutare il comportamento di commutazione. Il modulo ha superato con successo un test a 800 V e 500 A, dimostrando un comportamento di accensione e spegnimento pulito, con picchi di tensione e corrente minimi. Questo test conferma che il modulo è in grado di gestire le condizioni di tensione e corrente elevate richieste dai moderni sistemi di trazione, mantenendo un’elevata efficienza e stabilità.
L’intero processo di produzione è stato progettato per essere scalabile e affidabile. Partendo dall’ispezione dei chip e dalla progettazione del package, il processo includeva passaggi critici come lo sputtering, la saldatura sotto vuoto, il bondaggio a ultrasuoni e il confezionamento sottovuoto. Ogni fase è stata eseguita con un rigoroso controllo della qualità per garantire un’alta resa e una lunga vita operativa. Il confezionamento sottovuoto, in particolare, è fondamentale per proteggere i delicati componenti interni dall’umidità, dalla polvere e dalle vibrazioni, elementi comuni nell’ambiente di un veicolo.
Dal punto di vista della produzione di massa, il design a strati multipli offre diversi vantaggi. Riduce la complessità delle interconnessioni e si presta bene all’automazione, potenzialmente abbattendo i costi e aumentando la produttività. Sebbene la fabbricazione dei substrati DBC multistrato possa richiedere un investimento iniziale più elevato, i benefici in termini di prestazioni, affidabilità e densità di potenza lo rendono un candidato ideale per l’adozione su larga scala.
L’importanza di questa ricerca si estende ben oltre il laboratorio. Mentre i costruttori automobilistici si spostano verso architetture da 800 V per ricariche più rapide e cavi più leggeri, le richieste sui moduli di potenza aumentano esponenzialmente. Il modulo di SiC ad alta densità sviluppato da Hui, Ning, Li e Kang è progettato per prosperare in questo ambiente. La sua bassissima induttanza parassita consente commutazioni rapide e stabili, essenziali per massimizzare l’efficienza in questi sistemi ad alta tensione. Inoltre, la compatibilità con i sistemi di raffreddamento esistenti facilita l’integrazione in progetti di inverter futuri.
In sintesi, lo sviluppo di un modulo di potenza trifase completo in SiC a 1.200 V/500 A, basato su una tecnica di packaging a strati multipli DBC, rappresenta un’importante pietra miliare tecnologica. Riducendo le dimensioni del 34,9%, abbattendo l’induttanza parassita del 74,8% e mantenendo temperature di giunzione sicure sotto carichi elevati, i ricercatori hanno dimostrato un percorso praticabile verso inverter di trazione più compatti, efficienti e affidabili. Questa innovazione non solo eleva lo stato dell’arte nella progettazione dei moduli in SiC, ma accelera anche il cammino verso una mobilità elettrica più avanzata e sostenibile.
Hui Xiaoshuang, Ning Puqi, Li Dongrun, Kang Yuhui, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences; Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), DOI: 10.13245/j.hust.240878