Elettronica ad alte prestazioni: le principali tendenze

Pubblicato il 8 novembre 2016

Nel campo dell’ingegneria elettronica, il termine ‘potenza digitale’, nota anche come ‘potenza digitale intelligente’, si riferisce alle unità di alimentazione regolate, controllate o monitorate in modo digitale. Mentre la tensione di uscita degli alimentatori a commutazione convenzionali è regolata e monitorata per mezzo di un circuito analogico, nelle unità di alimentazione digitali una o più funzioni fra queste è svolta da un microcontrollore o da un DSP. Ciò consente di influenzare il processo di controllo in qualsiasi momento, per poter rispondere in tempi brevi alle richieste da parte dell’alimentatore principale, migliorando così l’efficienza di quest’ultimo.

Fig. 1 – HybridPACK2 è un modulo di potenza qualificato per applicazioni automotive sviluppato da Infineon per l’uso in veicoli elettrici e ibridi

Lo svantaggio, in questo caso, è legato all’aumento delle esigenze in termini di sviluppo. Per questo motivo Rutronik Power fornisce supporto a livello applicativo ai clienti che sviluppano prodotti tramite un team composto da Fae e responsabili di prodotto che hanno maturato competenze specifiche nel campo della potenza. Grazie a questo team i clienti possono individuare i componenti più idonei per soddisfare i requisiti imposti da sistemi di alimentazione sempre più complessi, esaminare approcci ed architetture alternative per la particolare applicazione considerata, comprendere cosa si “nasconde” dietro il concetto di alimentazione digitale e i vantaggi legati alla sua adozione.

La tecnologia digitale non solo contribuisce ad aumentare l’efficienza, ma consente anche di affrontare le problematiche legate alla complessità crescente dei sistemi di alimentazione: potenza fino a 100A (e oltre) con tensioni operative inferiori a 1V, grandi variazioni di carico a fronte di severe tolleranze in uscita, livelli di efficienza sempre crescenti per adeguarsi alle normative imposte da diverse iniziative, come ad esempio il programma di certificazione ‘80 PLUS’.

Andrea Porto

Fig. 2 – I MOSFET in carburo di silicio (SiC) di STMicroelectronics grazie ai bassi valori di RDS(on) e alle elevate prestazioni di commutazione permettono di realizzare sistemi efficienti e compatti

Controllo e gestione dell’alimentazione

Esiste una differenza fra il ‘controllo dell’alimentazione’ e la ‘gestione dell’alimentazione’. Il primo si riferisce al controllo delle funzioni all’interno del sistema di alimentazione stesso, inclusi l’anello di retroazione e le funzioni interne. Il ‘controllo dell’alimentazione’ deve operare in tempo reale nel rispetto di rigidi vincoli operativi, perfettamente sincronizzato con la frequenza di commutazione dell’unità di alimentazione.

Questo tipo di controllo può essere implementato sia nei circuiti analogici, sia in quelli digitali. La ‘gestione dell’alimentazione’, d’altro canto, si riferisce alla comunicazione e/o al controllo all’esterno di una o più unità di alimentazione. Ciò include funzioni quali la configurazione, il controllo e il monitoraggio di singoli circuiti di alimentazione di un sistema, oltre alle comunicazioni relative alla localizzazione dei guasti. Le funzioni di gestione dell’alimentazione non devono necessariamente attivarsi in tempo reale; al contrario, esse operano all’interno di intervalli temporali molto più ampi rispetto alla frequenza di commutazione. Esse utilizzano un mix di tecnologie analogiche e digitali, ad esempio usando resistori per regolare la tensione di uscita mentre la messa in sequenza dell’alimentazione richiede connessioni di controllo verso ciascun alimentatore.

Ciò rende il controllo digitale più flessibile rispetto al controllo analogico, quando l’alimentazione principale e gli stati del carico variano. Le soluzioni analogiche sono generalmente configurate per rispondere ad alcuni dei parametri di controllo. I controlli digitali, invece, possono modificare i parametri in base allo stato operativo del convertitore. Ciò significa che il controllo digitale consente il funzionamento in modalità discontinua – anche quando l’alimentatore “salta” dei cicli di commutazione in presenza di carichi elevati – senza per questo penalizzare le prestazioni dinamiche. Due sono i fattori di primaria importanza: i livelli di prestazioni superiori e l’elevata efficienza (con conseguente risparmio energetico).

Sicurezza funzionale e robustezza nelle applicazioni automotive

Le innovazioni devono necessariamente tener conto di tutti gli aspetti legati alla sicurezza non hanno futuro. I sistemi elettronici stanno diventando sempre più complessi – specialmente quando si tratta di sistemi programmabili. Inoltre, l’incidenza del software è sempre più rilevante. A questo proposito è bene sottolineare il fatto che il software è responsabile in larga misura delle funzioni legate alla sicurezza, quindi la questione relativa alla qualità del software è un aspetto di primaria importanza. Allo stesso tempo, anche il numero dei possibili stati di errore è in aumento. Il concetto che sta alla base della sicurezza funzionale è lo sviluppo di una strategia finalizzata alla riduzione dei rischi reali.

Questo comporta la messa in atto di qualsiasi misura “ragionevole” che abbia lo scopo di creare un sistema sicuro in grado di evitare danni o situazioni di pericolo per le persone. Una simile strategia di sicurezza funzionale (functional safety) va oltre le misure di sicurezza convenzionali. Il settore automotive impone sfide particolari. Nei moderni veicoli il numero di semiconduttori è in continuo aumento e tali dispositivi vengono utilizzato a bordo delle auto anche se in origine non erano stati progettati per il settore automotive. Ciò rappresenta quindi un rischio dal punto di vista del mantenimento dell’affidabilità funzionale. I componenti sono usati in applicazioni che “mettono alla prova” i loro limiti fisici, sollevando interrogativi circa la loro robustezza e affidabilità.

Di conseguenza la procedura di qualifica AEC Q100 per i semiconduttori, pubblicata dall’Automotive Electronics Councils (AEC), non è più sufficiente a garantire i livelli di affidabilità necessari per i componenti elettronici utilizzati in applicazioni correlate alla sicurezza. In vista di ciò, un gruppo di lavoro internazionale costituito dal Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) e dall’ente americano e giapponese SAE ha sviluppato un approccio alternativo alla procedura AEC: la validazione della robustezza. Quest’ultima valuta l’affidabilità dei componenti elettronici confrontando i requisiti concreti imposti dal prodotto con i valori reali. Ciò consente di trarre conclusioni mirate sui rischi e sull’affidabilità. Questo metodo fornirà prevedibilmente vantaggi in termini di salvaguardia dai guasti e di riduzione di tempi e costi di sviluppo.

Un esempio servità a chiarire questo concetto: gli azionamenti utilizzati in ambito automotive devono rispettare gli attuali requisiti relativi alla compattezza, alla precisione e alla capacità di coppia, essere conformi ai criteri di sicurezza e offrire prestazioni soddisfacenti in termini di funzionalità e di integrazione. Tuttavia, le soluzioni basate su semiconduttori di potenza usate sempre più spesso per i sistemi di azionamento dei veicoli elettrici non sono stati impiegati in precedenza per le automobili. Questi componenti sono interruttori fino a 1200V/800A, la cui attivazione assieme a quella di integrati specifici è richiesta per la gestione delle batterie.

Questi semiconduttori di potenza devono avere tutte le caratteristiche – in termini di qualità, tolleranza alle temperature e robustezza – richieste dal settore automotive. Per garantire la robustezza dei componenti richiesta all’aumentare delle prestazioni, è necessario rispettare scrupolosamente le normative relative alla QA (Quality Assurance) e alla conformità ai processi. Ciò si applica all’intero processo di sviluppo, dallo stadio iniziale alla produzione in serie. Solo quando ciascuna fase di tale processo soddisfa i requisiti previsti dalla normativa ISO 26262 (sicurezza funzionale nei veicoli), è possibile limitare o persino eliminare il guasto dei componenti.

Un supporto mirato

FAE (Field Application Engineer) opportunamente qualificati forniscono supporto per il processo di sviluppo dei nuovi progetti, la valutazione del prodotto e lo sviluppo delle applicazioni, il marketing focalizzato su gruppi di prodotto che richiedono assistenza specifica, fino ad arrivare all’elaborazione di soluzioni complete a livello di sistema ottimizzate in funzione delle esigenze dei clienti. I responsabili di prodotto contribuiscono con le proprie competenze a livello di componente. Per ottenere questo, specialisti dei prodotti attivi, passivi, elettromeccanici ed embedded lavorano in sinergia. Questo approccio integrato produce soluzioni “su misura” che soddisfano “in toto” i requisiti dei clienti.

Ridurre la complessità

Le considerazioni appena esposte evidenziano che la complessità delle applicazioni e l’interdipendenza dei singoli componenti gli uni con gli altri e dai parametri ambientali stanno crescendo rapidamente. La gamma completa dei prodotti di Rutronik Power mette a disposizione dei pacchetti completi a livello di sistema che includono tutti i componenti nel rispetto della mutua compatibilità. I clienti possono scegliere fra prodotti di diversi produttori per realizzare ciascun elemento presente nel diagramma a blocchi. Ogni prodotto soddisfa requisiti specifici, siano essi bassi costi o alte prestazioni, classi di tensione o aree di applicazione specifiche e così via.

Ad esempio, per un circuito di controllo del motore operante nell’intervallo di potenza di 2 KW, Rutronik Power offre moduli IGBT e unità di controllo appositamente progettate, oltre a microcontrollori, moduli di azionamento, dissipatori e connettori a spina. Nell’ambito dei semiconduttori di potenza, la società propone l’intera gamma, dai componenti discreti a quelli altamente integrati, dagli integrati ai moduli di potenza. Inoltre, essa è in grado di offrire tutti gli altri componenti richiesti per una data applicazione – attivi, elettromeccanici e passivi. In altre parole, Rutronik Power può fornire circa il 98% dei componenti presenti su una scheda PCB. Questo concetto è valido anche per altre tipologie di prodotto quali i connettori ad alta corrente fino a 1000A o i supercondensatori fino a 3400 farad/cella.

Marisa Kuhmann, product sales manager, Power semiconductor, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH



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