Come semplificare lo sviluppo di soluzioni più efficienti per gli azionamenti per motori

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In un’economia caratterizzata da un elevato tasso di industrializzazione, l’automazione riveste un ruolo critico. In qualità sia di consumatori sia di produttori, siamo sicuramente più consapevoli dell’impatto che un tale livello di automazione può avere sull’ambiente. Poichè la nostra dipendenza dall’automazione è ormai prassi consolidata, l’esigenza di conseguire maggiori livelli di efficienza rappresenta lo stimolo che favorisce l’innovazione nel campo degli azionamenti e del controllo dei motori.

In tutto il settore industriale è in atto uno sforzo coordinato che ha per tema l’efficienza, spesso imposta a livello legislativo e declinata attraverso vari standard approvati dai Governi locali. Un esempio recente è rappresentato dallo standard GB 21455-2019 in vigore in Cina relativo ai condizionatori d’aria per ambienti. Al fine di ottemperare alle direttive contenute in questo standard, i motori devono essere commutati elettricamente o sfruttando qualche altra modalità che permetta di variare la velocità. La posibilità di variare la velocità degli azionamenti sta diventando un’esigenza sempre più comune in tutte le applicazioni e per soddisfare tale richiesta in modo efficiente è necessario il ricorso ad almeno sei dispositivi di commutazione. Nelle applicazioni ad alta potenza questi dispositivi di commutazione dovranno essere robusti e in grado di gestire valori elevati di corrente e tensione. In questo contesto gli IGBT si sono imposti come i dispositivi più adatti allo scopo.

Anche se il consumo resta elevato per tutti i tipi di motore, i produttori di semiconduttori registrano una forte richiesta di soluzioni integrate ottimizzate per il pilotaggio di motori DC senza spazzole (BLDC – Brushless DC Motor). Questa richiesta proviene per la quasi totalità dai produttori che desiderano sfruttare l’efficienza energetica dei motori BLDC, utilizzati in misura sempre maggiore in sostituzione di motori meno efficienti, in particolar modo i motori in DC con spazzole.

Stadi di pilotaggio più complessi

Una sostituzione di questo tipo non è esente da problematiche, in quanto i miglioramenti in termini di efficienza energetica dei motori BLDC presentano uno svantaggio: la maggior complessità degli stadi di pilotaggio. Da qui l’opportunità, per l’industria dei semiconduttori, di ridurre questa complessità, compito di per sé sicuramente non agevole visto che gli stadi di pilotaggio dei motori BLDC richiedono la presenza di sei transistor di potenza rispetto all’unico transistor necessario nel caso di motori DC dotati di spazzole. Coordinare il funzionamento dei sei transistor è comunque solo una parte del problema complessivo poiché, in molti casi, nell’applicazione finale viene richiesto che il motore BLDC, e il relativo circuito di pilotaggio, possa essere ospitato in un alloggiamento con le medesime caratteristiche in termini di dimensioni peso e ingombri, di quello richiesto per un motore in continua con spazzole. Senza peraltro dimenticare che in determinate applicazioni è necessario raddoppiare, ovvero portare a 12, il numero dei trasistor necessari in quanto viene richiesta una potenza maggiore rispetto a quella che un singolo transistor è in grado di gestire. In sitazioni di questo tipo la configurazione in parallelo dei transistor di potenza può rappresentare una valida alternativa rispetto all’utilizzo di transistor di maggiori dimensioni, che ovviamente risultano più costosi.

Tutto ciò contribuisce a complicare il progetto del trasistor, sia per quanto concerne le prestazioni elettriche sia sotto il profilo delle dimensioni fisiche. Per risolvere in modo efficace queste problematiche ON Semiconductor ha sviluppato transistor di potenza che da un lato sono caratterizzati dal più basso valore di Rds(on) e dall’altro possono essere ospitati nei package con il più basso profilo al momento disponibili, come ad esempio il package SO-8FL PQFN, le cui dimensioni sono di appena 5 x 6 mm.

Al fine di accelerare il processo di adozione di motori più efficienti e aiutare i costruttori a conformarsi ai sempre più severi requisiti imposti dalle nuove normative, l’industria dei semiconduttori si è impegnata ad aumentare sempre più i livelli di integrazione. Tradotto in pratica, ciò significa integrare il circuito di pilotaggio del gate nel medesimo package degli IGBT e incapsulare il tutto in maniera tale da soddisfare le esigenze dell’applicazione e contemporamente ottemperare ai requisiti impostati a livello legislativo.

Moduli “intelligenti”: una soluzione robusta ad alto grado di integrazione

La risposta di ON Semiconduttor a queste istanze è rappresentata da un ampio portafoglio di moduli IPM (Intelligent Power Module), abbinato allo sviluppo di nuovi moduli di potenza che comprendono le topologie CIB (Converter-Inverter-Brake) e CI (Converter-Inverter). Spesso l’ambiente industriale può risultare ostico per moduli di questo tipo in quanto essi non sempre sono protetti in modo ermetico contro l’ingresso di sostanze potenzialmente dannose. In questo caso, ancora una volta ON Semicondutor ha dimostrato la propria attenzione verso le esigenze del mercato sviluppando un package che utilizza il “transfer moulding (TM, ovvero lo stampaggio per trasferimento). Oltre a essere sigillati in modo ermetico, i componenti la famiglia TM-PIM sono in grado di garantire prestazioni nettamente superiori in termini di affidabilità  – di un fattore pari a 3 per quanto riguarda i cicli di accensione/spegnimento (power cycle) e pari a 10 per quanto concerne le variazioni cicliche di temperatura (temperature cycling) – rispetto ad analoghi moduli di potenza non sigillati ermeticamente e riempiti semplicemente con gel.

Moduli PIM (Power Integrated Module) ospitati in package TM (Transfer-Molded)

La domanda di soluzioni per azionamenti per motori è in aumento, sia per una naturale espansione del mercato sia per l’esigenza di adottare topologie più efficienti, come appunto i motori BLDC. Per soddisfare questa esigenza ON Semiconductor ha sviluppato prodotti decisamente innovativi come ad esempio la vasta gamma di MOSFET a Super-giunzione che viene offerta in un’ampia varietà di package, con tensioni operative comprese tra 600 e 800 V e valori di Rds(on) variabili da 23 a 1400 mΩ. ON Semiconductor è anche un punto di riferimento per quanto riguarda la tecnologia IGBT, con dispositivi che coprono la gamma di tensioni da 650 a 1200 V, così come nel settore dei MOSFET al carburo di silicio (SiC) e dei relativi circuiti per il pilotaggio del gate di tipo isolato e non isolato. Con l’introduzione della serie TM-PIM la società ha ampliato ulteriormente la propria offerta di moduli di potenza integrati proponendo soluzioni in grado di soddisfare le esigenze di un maggior numero di appplicazioni relative agli azionamenti per motori , contraddistinte da un livello di integrazioni più spinto e caratterizzate da migliori prestazioni in termini di potenza e intervalli di temperatura.

MOSFET SiC da 1200 V

ON Semiconductor continuerà dunque ad arricchire la propria gamma di soluzioni per azionamenti per motori in modo da rispondere in maniera efficiente alla crescente richiesta proveniente dai mercati di destinazione in cui è attiva. Poichè non vi sono segnali che inducano a pensare a un rallentamento della domanda, la società continuerà a perseguire la sua strategia finalizzata all’estensione della propria offerta e allo sviluppo di soluzioni all’avanguardia.

Steven Shackell PSG Industrial Business Development Manager (ON Semiconductor)

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