Simulazione circuitale di un PFC Totem-Pole per OBC: confronto tra tecnologie Si, SiC e GaN

La rapida evoluzione della mobilità elettrica richiede convertitori sempre più compatti e leggeri, senza però comprometterne l’efficienza. L’elaborato presenta lo studio e la simulazione in ambiente Spice di un Power Factor Corrector (PFC) Totem-Pole destinato ad applicazioni automotive come stadio di ingresso di un On-Board Charger (OBC) monofase. In particolare, è stato studiato ed implementato in simulazione lo stadio di potenza con dispositivi a semiconduttore realizzati in tre diverse tecnologie: silicio (Si), carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN). Sono state analizzate correnti, tensioni e perdite di potenza alle diverse tensioni di alimentazione e frequenze di commutazione del convertitore. L’aumento della frequenza di switching consente di ridurre le dimensioni dei componenti passivi, incrementando la densità di potenza dell’OBC, ma allo stesso tempo incrementa le perdite per commutazione peggiorando il rendimento del dispositivo. I risultati simulativi mostrano come il silicio, pur garantendo buone prestazioni a basse frequenze, peggiori drasticamente le sue prestazioni a fronte di un aumento della frequenza di commutazione. Il nitruro di gallio, invece, ha consentito il raggiungimento di ottime prestazioni anche alle alte frequenze grazie alla sensibile diminuzione delle perdite di commutazione, permettendo il raggiungimento di una buona miniaturizzazione del circuito. Il carburo di silicio si è dimostrato un buon compromesso tra le due tecnologie sopra citate, grazie alle sue buone prestazioni a frequenze intermedie mantenendo però costi superiori rispetto al silicio. Lo studio conferma la possibilità di aumentare la densità di potenza dello stadio PFC per On-Board Charger automotive, mantenendo ottimi rendimenti, grazie all’impiego di nuove tecnologie a wide band-gap, in particolare GaN e SiC. I risultati evidenziano come questi materiali rappresentino la prospettiva futura per l’evoluzione del settore automotive.