Il progetto europeo RAISE, coordinato dal gruppo di Macchine e Azionamenti Elettrici – MeltingLab dell’Università di Modena e Reggio Emilia (UniMoRe), mira a offrire soluzioni per migliorare l’affidabilità dei convertitori di potenza, delle macchine e dell’intero azionamento elettrico, senza comprometterne le prestazioni e l’efficienza. Benefici e miglioramenti che potranno avere ripercussioni positive sia nel breve che nel lungo termine, oltre che essere sfruttati dai produttori per fronteggiare il competitivo mercato asiatico.
Negli ultimi anni, la necessità di realizzare dispositivi elettrici ed elettronici sempre più potenti, leggeri ed efficienti è diventata un obbiettivo di progettazione prioritario in tutti i settori industriali. Per questo motivo, l’arrivo sul mercato di nuovi convertitori di potenza a banda larga, basati su materiali semiconduttori in carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN), ha suscitato un interesse rilevante nelle comunità scientifica e industriale. Le industrie automobilistica e aerospaziale sono tra quelle che possono trarre i maggiori vantaggi da questi dispositivi. In questo contesto, secondo i trend di recente sviluppo incentrati sul “More Electric Vehicle” (MEV) e sul “More Electric Aircraft” (MEA), la sostituzione degli attuatori idraulici-meccanici con azionamenti elettrici comporta un netto miglioramento dell’efficienza e della densità di potenza, il che significa anche riduzione dei pesi, minore consumo di carburante ed emissioni più basse di rumore e di sostanze inquinanti.
Il valore aggiunto dei convertitori di potenza a banda larga
I convertitori basati sui dispositivi di potenza a banda larga hanno caratteristiche superiori rispetto ai tradizionali dispositivi basati sul silicio (Si). Tali dispositivi offrono commutazioni più rapide, minori perdite di potenza e possono operare a tensioni e temperature più elevate rispetto alle loro controparti in silicio, consentendo in tal modo una ulteriore riduzione di volume e peso nel sistema di raffreddamento dei convertitori. «È chiaro dunque – spiega il Dott. Stefano Nuzzo, parte del team di ricerca di UniMore, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia, “Convertitori, Macchine e Azionamenti Elettrici”, insieme al Prof. Davide Barater, al Prof. Giovanni Franceschini e a Marco Pastura – che i nuovi dispositivi basati su materiali semiconduttori in carburo di silicio e nitruro di gallio sposano benissimo gli obbiettivi sopracitati».
Tuttavia, lo stress elettrico associato agli elevati gradienti di tensione che possono raggiungere, insieme all’azione combinata di altri stress ambientali (come temperatura, pressione e umidità), può ridurre il tempo di vita utile del sistema di isolamento dei motori elettrici alimentati da convertitori che utilizzano semiconduttori SiC e GaN. Dunque, in questo tipo di azionamenti elettrici possono sorgere problemi di affidabilità. Inoltre, la lunghezza fisica dei cavi di alimentazione che collegano il convertitore di potenza al motore può essere comparabile o addirittura maggiore della cosiddetta “lunghezza critica”. «In questo caso – osserva il Dott. Nuzzo – gli elevati impulsi di tensione in salita e in discesa, fanno sì che i cavi si comportino come linee di trasmissione, con onde che viaggiano avanti e indietro lungo i cavi stessi a causa del fenomeno della riflessione. Questi fenomeni ad elevata frequenza possono provocare pericolose sovratensioni ai terminali del motore, fino al doppio della tensione del bus in corrente continua nel peggiore dei casi, che possono compromettere seriamente l’isolamento elettrico degli avvolgimenti del motore».
In particolare, se i livelli di tensione ai terminali del motore elettrico sono tali per cui i valori del campo elettrico limite (rigidità dielettrica) degli isolanti vengono superati, si verificano fenomeni di conduzione attraverso una porzione del materiale isolante, dando vita al cosiddetto fenomeno della scarica parziale. Le scariche parziali si verificano sulla superficie dell’isolamento elettrico causando un’erosione progressiva fino alla completa rottura. La lunghezza critica è proporzionale al tempo di commutazione, pertanto i tempi di commutazione molto brevi tipici dei dispositivi SiC e GaN hanno reso problematico l’utilizzo di cavi anche per un’estensione di pochi metri. Inoltre, le reti di trasmissione di energia elettrica attualmente proposte per gli aeromobili si stanno muovendo verso l’utilizzo di livelli di tensione sul bus in corrente continua sempre più elevati per ridurre al minimo le perdite di conduzione. Tuttavia, l’aumento della tensione sul bus in corrente continua fa sì che l’isolamento dell’avvolgimento dello statore venga ulteriormente sollecitato, aggravando i problemi legati all’uso di dispositivi a banda larga.
