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EO POWER - OTTOBRE 2022 XXX utilizza solo tre dei circuiti integrati della figura 3 ac- coppiati a un semplice microcontrollore, per creare un azionamento a basso numero di componenti. Sorpren- dentemente, l’azionamento a 100 kHz ha circa la stessa efficienza dell’inverter, ma è in grado di fornire il 10% in più di coppia all’albero del motore e quindi il 10% in più di autonomia per una e-bike. Questo è il risultato dell’eliminazione di una sesta armonica che deriva dal lungo tempo morto necessario per il recupero del dio- do nel MOSFET. Questa armonica provoca un significa- tivo rumore acustico e una forza contraria nel motore. Passando a una frequenza più elevata, si ottiene anche una riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI), per cui il progettista può utilizzare condensato- ri ceramici anziché elettrolitici. Le dimensioni ridot- te rendono più facile incorporare l’intero azionamento all’interno dell’alloggiamento del motore, riducendo ul- teriormente i costi e le EMI. Generazioni future I dispositivi di potenza in GaN vengono prodotti in grande serie da oltre 12 anni, ma la tecnologia è ben lontana dal raggiungere le sue massime capacità teo- riche. L’ultima generazione di transistor in GaN è an- cora 300 volte più grande di quanto previsto dai limiti fisici del cristallo. Ciò significa che la tecnologia GaN continuerà a migliorare in termini di prestazioni e co- sti, mentre i consolidati MOSFET al silicio non possono evolversi di molto, perché i limiti del cristallo di silicio sono stati raggiunti diversi anni fa. I circuiti integrati in GaN si stanno appena affac- ciando sulla scena in applicazio- ni di massa, come i caricabatte- rie veloci per i telefoni cellulari, gli azionamenti dei motori delle biciclette elettriche e i sistemi LIDAR per automobili e robot. I progettisti possono contare su molti anni di possibilità di evolu- zione e miglioramento una volta che avranno fatto il grande passo verso la conversione di potenza basata sul GaN. Power Fig. 5 - Dal 2015 la densità di potenza di riferimento per un convertitore CC-CC da 48 V a 12 V è aumentata di un fattore otto Fig. 6 - L’utilizzo di uno stadio di potenza con tre circuiti integrati EPC2152 in GaN per creare un azionamento per motori BLDC funzionante a 100 kHz invece del tradizionale inverter basato su MOSFET a 20 kHz migliora l’efficienza complessiva del sistema del 10% e riduce le dimensioni di un fattore due in3 rispetto ai convertitori di riferimento basati su MO- SFET prima dell’adozione del GaN, che si attestavano a circa 350 W/in3. Anche gli azionamenti per motori DC senza spazzole (BLDC) beneficiano di una migliore densità di potenza, grazie alle proprietà superiori del GaN. In questo caso, l’assenza di carica di recupero inversa (QRR) in un tran- sistor in GaN che lavora in modalità enhancement con- sente di ottenere una riduzione significativa del tempo morto e un aumento significativo della frequenza ope- rativa ottimale dell’azionamento del motore. La Figura 6 mostra un confronto tra un azionamento per motori BLDC che lavora a 20 kHz con un tempo morto di 500 ns (necessario per tenere conto della QRR dei MOSFET) e un azionamento che lavora a 100 kHz con un tempo morto di 14 ns. Entrambi gli azionamenti funzionano a 5 ARMS e 400 RPM e l’azionamento basato sul GaN