Moduli personalizzati realizzati con MOSFET al carburo di silicio (SiC) riducono al minimo gli effetti dei cortocircuiti e dei sovraccarichi
Quasi ogni ingegnere elettrico si è chiesto, in un certo momento, se sia possibile progettare un interruttore automatico privo di parti meccaniche. Esistono numerose ragioni alla base di tale riflessione: non sarebbe forse preferibile utilizzare semiconduttori per interrompere i guasti o gestire le condizioni di sovraccarico?
Tuttavia, un’analisi più approfondita rivela inevitabilmente ostacoli significativi. In primo luogo, la tensione di rottura dei dispositivi di potenza comunemente noti è pari a circa 600 V. Di conseguenza, anche per applicazioni industriali a bassa tensione inferiori a 480 V, molti di tali dispositivi devono essere collegati in serie per costituire interruttori automatici funzionali.
Un’altra sfida è rappresentata dalla generazione di calore. Quando una corrente attraversa qualsiasi dispositivo semiconduttore, le perdite di potenza producono un notevole riscaldamento a causa della resistenza in conduzione significativamente maggiore rispetto ai tradizionali contatti metallici. Poiché tale calore deve essere dissipato, l’intera architettura degli interruttori automatici convenzionali deve essere ripensata ex novo prima di sviluppare un’alternativa a stato solido.
Date tutte queste difficoltà tecniche, perché perseguire affatto interruttori automatici a stato solido? Dopotutto, i dispositivi meccanici soddisfano in modo affidabile le esigenze di protezione dei circuiti da oltre un secolo.
Contrasto dei rischi derivanti dall’arco elettrico
Sfortunatamente, gli interruttori automatici meccanici sono tutt’altro che ideali nel mitigare il fenomeno dell’arco elettrico — l’energia distruttiva rilasciata durante eventi di cortocircuito. Quando un interruttore meccanico tenta di interrompere la corrente di guasto, è tipico un ritardo di 8 ms o superiore. Sebbene 8 ms rappresenti una velocità estremamente elevata per una risposta meccanica e corrisponda essenzialmente al limite fisico di separazione dei contatti, dal punto di vista elettrico tale intervallo equivale a un’eternità.
Durante questi millisecondi critici, la corrente di cortocircuito può salire fino a valori compresi tra 10 kA e 100 kA, a seconda della potenza nominale del trasformatore a monte. L’energia dissipata nel punto di guasto è proporzionale al quadrato della corrente e si accumula nel tempo. In tali condizioni di guasto, l’energia viene rilasciata così rapidamente da innescare esplosioni ad arco accompagnate da metallo fuso. Solo successivamente l’interruttore meccanico dissipa l’enorme energia interna dell’arco per eliminare la corrente di guasto di elevata entità.
Un fattore attenuante è rappresentato dal fatto che le reti elettriche operano in corrente alternata anziché in corrente continua. Ciò significa che la corrente di guasto attraversa naturalmente lo zero in un determinato istante di ciascun semiperiodo, contribuendo all’estinzione degli archi all’interno degli interruttori meccanici.
Negli ultimi vent’anni, gli sforzi del settore si sono concentrati sulla sensibilizzazione degli ingegneri sui rischi derivanti dall’arco elettrico. Tuttavia, la causa radice non è stata risolta, poiché la velocità meccanica di apertura dei contatti non può essere migliorata. Le attuali pratiche mirano unicamente a ridurre i danni causati dall’arco elettrico: rinforzo delle strutture di contenimento degli apparecchi di manovra, formazione tecnici sull’uso corretto dei dispositivi di protezione individuale durante le operazioni sugli interruttori e sul lavoro su impianti sotto tensione, nonché impiego di interruttori automatici e fusibili limitatori di corrente per sopprimere l’entità della corrente di cortocircuito.
Nessuno di questi approcci fornisce una soluzione fondamentale. Il rimedio ideale consiste nell’isolare i guasti entro microsecondi o meno, eliminando completamente i rischi derivanti dall’arco elettrico. Con la realizzazione commerciale degli interruttori automatici a stato solido, una vera e propria rivoluzione delle infrastrutture elettriche si profila all’orizzonte.
Sfide legate alla coordinazione selettiva
La progettazione della protezione elettrica si basa ampiamente sulla coordinazione selettiva: qualsiasi guasto all’interno di un sistema di distribuzione deve essere eliminato dall’interruttore a valle più vicino, senza provocare un’interruzione generalizzata dell’alimentazione in tutto il sistema.
Gli interruttori automatici meccanici presentano ampie tolleranze nelle loro caratteristiche tempo-corrente. Di conseguenza, gli interruttori a monte devono essere intenzionalmente impostati con ritardi temporali più lunghi rispetto a quelli a valle per garantire la coordinazione.
Un esempio pratico illustra questo compromesso. Si consideri un sistema industriale alimentato da un interruttore principale da 2000 A, che fornisce corrente a un interruttore a valle da 150 A destinato a un sistema di refrigerazione. L’interruttore meccanico da 150 A presenta un tempo di interruzione compreso tra un valore ottimale di 8 ms e un valore massimo di 13 ms. Per evitare un’interruzione completa del sistema durante un cortocircuito nel sistema di refrigerazione, l’interruttore a monte da 2000 A deve essere dimensionato con un tempo di interruzione minimo superiore a 13 ms. Nella pratica, ciò costringe l’interruttore a monte a operare con un ritardo medio pari a 20 ms o superiore, aggravando ulteriormente l’esposizione all’arco elettrico.
In netto contrasto, gli interruttori automatici a stato solido non sono soggetti alle limitazioni meccaniche relative al tempo di interruzione. Essi forniscono una risposta ultra-rapida al guasto nel punto di insorgenza, riducendo drasticamente il tempo totale di risposta richiesto per una protezione coordinata dei circuiti.
La soluzione basata sul carburo di silicio (SiC)
I progressi conseguiti in altri settori hanno accelerato lo sviluppo degli interruttori automatici a stato solido. Negli ultimi dieci anni, il mercato dei veicoli elettrici ha stimolato la domanda di convertitori di potenza ad alta tensione ed elevata efficienza. Queste innovazioni hanno migliorato l’efficienza energetica dei veicoli e prolungato l’autonomia di guida. L’elemento abilitante fondamentale è rappresentato dai dispositivi di potenza di nuova generazione, caratterizzati da resistenza in conduzione estremamente ridotta e perdite di potenza minime. Il funzionamento a livelli di tensione superiori consente di ridurre l’entità della corrente per potenze nominali equivalenti, diminuendo il consumo di rame e di altri materiali conduttivi, nonché il peso complessivo e il costo del sistema.
I principali produttori hanno investito ingenti risorse nello sviluppo di dispositivi al carburo di silicio (SiC). Gli attuali MOSFET, IGBT e JFET al SiC offrono tensioni di blocco fino a 1700 V, con resistenza in conduzione molto inferiore rispetto ai corrispondenti dispositivi al silicio convenzionali. I dispositivi di potenza al SiC presentano inoltre velocità di commutazione nettamente superiori, consentendo realizzazioni di invertitori più piccoli con minori perdite di commutazione e potenziali riduzioni del costo complessivo del sistema. Questi progressi rendono i dispositivi al SiC candidati ideali per applicazioni di protezione dei circuiti a bassa tensione.
I MOSFET al SiC commercialmente disponibili, con tensioni di blocco comprese tra 900 V e 1200 V, sono oggi accessibili sul mercato, fornendo una resistenza in conduzione molto inferiore rispetto ai chip al silicio di equivalente area die. Per i sistemi di protezione dei circuiti a bassa tensione con tensione nominale fino a 1000 V, tali dispositivi al SiC ad alta tensione di blocco risultano perfettamente idonei per l’impiego.
La maggior parte dei componenti al SiC attualmente disponibili sul mercato è progettata per applicazioni di conversione di potenza negli invertitori, supportando le conversioni DC-DC, AC-DC e DC-AC. I loro involucri standard non sono ottimizzati per la protezione dei circuiti a stato solido, spesso comportando fattori di forma eccessivamente grandi qualora vengano riutilizzati direttamente. Un’ulteriore complicazione deriva dal fatto che i MOSFET devono essere configurati in topologia a source comune per supportare il blocco bidirezionale della tensione in applicazioni in corrente alternata. Per tali ragioni, gli interruttori automatici a stato solido richiedono moduli di potenza completamente personalizzati.
La resistenza in conduzione rappresenta un parametro di progettazione critico per gli interruttori basati su MOSFET al SiC, con valori tipici compresi tra 10 mΩ e 20 mΩ — molto migliori rispetto ai dispositivi al silicio, i cui valori spesso superano i 60 mΩ con capacità di tenuta di tensione inferiore. Anche con la tecnologia al SiC, la resistenza in conduzione rimane un aspetto significativo da considerare per operazioni ad alta corrente. Ad esempio, un singolo MOSFET al SiC da 10 mΩ attraversato da una corrente di 100 A dissipa una potenza di 100 W. Due di tali dispositivi collegati in serie per l’operatività dell’interruttore dissipano complessivamente 200 W, richiedendo infrastrutture dedicate di dissipazione termica per la gestione termica.
Un vantaggio chiave dei MOSFET al SiC è la condivisione naturale della corrente quando operano in parallelo. Poiché la resistenza aumenta con la temperatura, un flusso di corrente più elevato attraverso un dispositivo ne incrementa la temperatura di giunzione e la resistenza in conduzione, deviando la corrente verso i dispositivi in parallelo fino al raggiungimento dell’equilibrio termico ed elettrico.
Quando più chip MOSFET al SiC sono posizionati ravvicinati sullo stesso substrato, il loro accoppiamento termico è strettamente uniforme. Una disposizione simmetrica garantisce una condivisione bilanciata della corrente e un’induttanza parassita, una capacità parassita e una resistenza intrinseca equivalenti lungo tutti i percorsi di corrente in parallelo. Con tale architettura, i progettisti possono collegare in parallelo i dispositivi secondo necessità per ridurre la resistenza in conduzione complessiva fino a qualsiasi valore obiettivo. I limiti pratici sono infine determinati dai vincoli di costo e dalle dimensioni richieste per l’interruttore a stato solido.
Considerazioni sulla progettazione dei moduli
La progettazione di moduli di potenza per la protezione dei circuiti a stato solido differisce fondamentalmente dalla progettazione di moduli per invertitori. I moduli per invertitori privilegiano la commutazione ad alta velocità con induttanza e capacità parassite minimizzate per ridurre le perdite di commutazione. I dispositivi di protezione, invece, trascorrono quasi l’intera vita utile in uno stato di conduzione continuo, con eventi di commutazione on-off estremamente rari durante il loro ciclo di vita operativo.
Per la progettazione dei moduli di protezione, è indispensabile mantenere induttanza e capacità equivalenti su tutti i dispositivi in parallelo. Tale equilibrio diventa cruciale durante eventi di sovraccarico o cortocircuito, quando la corrente subisce un rapido aumento e la tensione di gate viene abbassata per spegnere i dispositivi a canale n. Un decadimento uniforme della corrente su tutti i dispositivi in parallelo previene sollecitazioni elettriche non omogenee. Inoltre, tutti i collegamenti di gate ai dispositivi in parallelo devono presentare un’impedenza identica per garantire caratteristiche di spegnimento coerenti. L’adesione a questi principi di progettazione assicura una distribuzione equilibrata dello sforzo su tutti i chip durante l’interruzione del guasto, massimizzando la durata e l’affidabilità del modulo.
La progettazione dell’involucro deve inoltre minimizzare la resistenza totale in conduzione ottimizzando le piste metalliche sul substrato e le configurazioni dei collegamenti a filo, nonché massimizzare il raffreddamento termico per ciascun chip al SiC al fine di ridurre le temperature di giunzione interna e operative del modulo.
Fondata nel 2014 e con sede centrale a Charlotte, nella Carolina del Nord, la startup Atom Power ha sviluppato un modulo di potenza personalizzato da 900 V e 250 A seguendo rigorosamente queste linee guida di progettazione. Il modulo raggiunge una resistenza totale in conduzione di 7 mΩ, con tempi di commutazione di accensione e spegnimento pari soltanto a 0,1 µs. Questo modulo proprietario costituisce il cuore dell’interruttore automatico a stato solido Atom Switch della società — il primo dispositivo del suo genere ad aver ottenuto la certificazione da parte di Underwriters Laboratories (UL), autorità indipendente in materia di norme di sicurezza.
Certificato secondo la norma UL 489, l’Atom Switch integrato incorpora funzioni di rilevamento della corrente, monitoraggio intelligente e controllo all’interno di un involucro ottimizzato. Esso elimina virtualmente i rischi derivanti dall’arco elettrico e riduce drasticamente il tempo di intervento. Il prodotto è stato validato in condizioni di cortocircuito estreme fino a 100 kA, 150 kA e persino 200 kA.
L’Atom Switch è progettato per un’integrazione fluida in contenitori personalizzati per quadri elettrici, garantendo un fissaggio adeguato, interfacce di comunicazione appropriate e un’efficiente dissipazione termica per mantenere un raffreddamento ottimale del modulo.
Il ritardo tipico di interruzione del cortocircuito per l’Atom Switch è pari a 40 µs — ben maggiore della sua velocità intrinseca di commutazione di 0,1 µs. La latenza aggiuntiva deriva dal tempo di salita della corrente di guasto, dall’elaborazione del rilevamento del guasto e dalla propagazione del segnale di controllo. Tuttavia, 40 µs è circa 200 volte più veloce rispetto agli interruttori meccanici più rapidi attualmente disponibili. Questa interruzione ultra-rapida riduce l’energia di guasto lasciata passare fino a 4.000 volte.
Un altro vantaggio chiave degli interruttori basati sul SiC è la maggiore durata utile. A differenza degli interruttori meccanici, non richiedono sostituzione dopo aver eliminato più guasti di cortocircuito a piena corrente nominale. Per condizioni di sovraccarico lievi (da 1 a 2 volte la corrente nominale), le caratteristiche di intervento possono essere programmate con precisione eccezionale, raggiungendo un’accuratezza temporale migliore dell’1%. Per confronto, gli interruttori meccanici presentano tipicamente una tolleranza temporale fino al 10%.
La piattaforma di prossima generazione Atom Switch integrerà funzionalità di interruzione dei guasti a terra e degli archi di guasto. Abilitate da logiche di controllo avanzate basate su algoritmi, queste migliorie risolveranno i problemi di intervento spurio comunemente associati agli interruttori meccanici — in particolare i limiti intrinseci dei dispositivi tradizionali nel rilevamento e nella mitigazione degli archi di guasto.
Oltre la protezione tradizionale dei circuiti
Gli interruttori automatici a stato solido offrono vantaggi trasformativi ben oltre la semplice protezione da sovracorrente e cortocircuito. Le loro caratteristiche tempo-corrente possono essere completamente regolate tramite software, consentendo a una singola piattaforma hardware di servire molteplici scenari applicativi e di adattarsi dinamicamente a vari ambienti operativi dopo l’installazione.
Ulteriori funzionalità integrate comprendono il monitoraggio autonomo e la diagnostica predittiva. L’intelligenza integrata consente agli interruttori a stato solido di eseguire autodiagnosi in tempo reale, verificare l’integrità operativa e fornire avvisi precoci di potenziali guasti prima che si verifichino guasti catastrofici. Gli interruttori meccanici non possiedono questa capacità; i difetti latenti vengono tipicamente rilevati soltanto dopo un evento di guasto, comportando spesso costosi tempi di inattività e danni agli impianti.
La possibilità nativa di controllo remoto rende gli interruttori a stato solido ideali per la gestione dell’energia lato domanda e per le operazioni di isolamento delle micro-reti, supportando un’integrazione fluida di sistemi di alimentazione di riserva e di generazione distribuita. Essi possono inoltre fungere da avviatori morbidi per motori asincroni e trasformatori, eliminando i picchi di corrente di spunto e prolungando la durata utile degli impianti.
Attualmente, il costo iniziale degli interruttori a stato solido rimane superiore rispetto a quello delle alternative meccaniche convenzionali. Tuttavia, le loro prestazioni di sicurezza superiori, le funzionalità potenziate e i benefici operativi a lungo termine superano di gran lunga le differenze di prezzo iniziale. La loro adozione spesso elimina la necessità di ulteriore equipaggiamento ausiliario e risolve critiche vulnerabilità in termini di sicurezza, offrendo evidenti vantaggi in termini di costo totale di proprietà.
Spinti dall’aumento della produzione di dispositivi al SiC per soddisfare la domanda proveniente dai mercati dei veicoli elettrici, delle smart grid e della protezione dei circuiti a stato solido, i costi dei componenti sono destinati a diminuire progressivamente. Sebbene gli interruttori automatici meccanici non spariranno improvvisamente, la loro dominanza decennale nella protezione dei circuiti sta chiaramente volgendo al termine.
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