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EO POWER - MAGGIO 2023 XVI GaN per il controllomotore Maurizio Di Paolo Emilio Il silicio (Si) ha raggiunto i suoi limiti teorici nelle applicazioni di potenza, richiedendo così nuovi materiali che presentino una maggiore efficienza, una migliore gestione termica e, possibilmente, permettano di ridurre i costi e le dimensioni. Il nitruro di gallio è uno dei candidati più promettenti Il nitruro di gallio (GaN), un semiconduttore ad ampio ban- dgap che offre prestazioni migliori del silicio nelle appli- cazioni di potenza, sta sostituendo i tradizionali MOSFET a base di Si nei circuiti in cui l’alta efficienza e la capacità di operare a temperature e frequenze più elevate sono re- quisiti obbligatori e necessari. Tra le applicazioni rilevanti vi sono tutti i diversi tipi di veicoli elettrici (EV), che richie- dono soluzioni di controllomotore estremamente efficien- ti e affidabili per estendere il più possibile l’autonomia del veicolo. Limiti degli inverter al silicio Marco Palma, direttore tecnico dei sistemi di control- lo motore a EPC , in un suo articolo pubblicato su Power Electronics News, afferma che il motore a magneti per- manenti, noto anche come motore brushless CC, è am- piamente utilizzato e offre una maggiore capacità di cop- pia e una dinamica più elevata rispetto ad altri motori. Finora, i dispositivi di potenza basati sul silicio sono stati dominanti nell’elettronica degli inverter, ma oggi le loro prestazioni si stanno avvicinando ai limiti teorici. C’è una crescente necessità di una maggiore densità di potenza. I transistor e i circuiti integrati al nitruro di gallio hanno le caratteristiche migliori per soddisfare queste esigenze. Il comportamento di commutazione superiore del GaN aiuta a eliminare i tempi morti e ad aumentare la fre- quenza PWM per ottenere forme d’onda sinusoidali di tensione e corrente ineguagliabili per un funzionamen- to più fluido e silenzioso con una maggiore efficienza del sistema. La densità di potenza aumenta con la sostitu- zione dei condensatori elettrolitici nel filtro di ingresso con condensatori ceramici più piccoli, più economici e più affidabili. La dissipazione di potenza dell’inverter è composta da perdite di conduzione e perdite di commutazione. Le per- dite di conduzione sono direttamente proporzionali alla R DS(ON) degli interruttori. La riduzione della resistenza di canale aiuta a ridurre le perdite di conduzione, ma può aumentare le perdite di commutazione. La relazione tra perdite di conduzione e perdite di commutazione dipende dalla tecnologia specifica. Le applicazioni di azionamento dei motori a corrente continua e a batteria hanno una tensione del bus in cor- rente continua che va da 24 VCC a 96 VCC. Con i MOSFET al silicio, la frequenza PWM è mantenuta al di sotto dei 40 kHz e il tempo morto è compreso tra 200 e 500 ns. La bassa frequenza PWM consente di evitare l’elevata perdi- ta di commutazione dei MOSFET al silicio. Vantaggi del GaN I FET GaN superano i dispositivi di potenza tradizionali basati su Si per diversi aspetti, tra cui: -- il campo di breakdown del GaN è oltre 10 volte superiore a quello del silicio (3,3 MV/cm contro 0,3 MV/cm), consentendo ai dispositivi di potenza basati Power