Al igual que los Beatles en los años 60, Tesla ha logrado la hazaña de ser simultáneamente el mejor y el más popular en lo que hace. Según el informe de IDTechEx "Electric Vehicles: Land, Sea & Air 2021-2041", Tesla entra en un nuevo mercado y se convierte rápidamente en el fabricante de vehículos eléctricos más vendido: desde su mercado natal, California, en Estados Unidos, hasta los principales mercados automovilísticos de Europa, pasando por Corea del Sur y China, en una conquista que ha convertido a su director general, Elon Musk, en el hombre más rico del universo.

La figura de la cabecera muestra un  esquema de un tren de potencia para vehículos eléctricos. Fuente: IDTechEx

¿Qué tiene de diferente un Tesla? Las "tres grandes" tecnologías que se suelen citar para los vehículos eléctricos son la batería, el motor de tracción eléctrica y la electrónica de potencia. Tesla está a la vanguardia de todas ellas, por lo que, aunque el precio de sus acciones es quizás "demasiado alto para la OMI", su puro ritmo de innovación es lo que le hace ganarse un puesto en la mesa de los líderes y sus muchos votos de los consumidores. En este artículo, nos centramos en las innovaciones de Tesla en el campo de la electrónica de potencia y en algunas de las nuevas oportunidades de materiales que se están creando.

Inversores de carburo de silicio
En los vehículos eléctricos, la electrónica de potencia es fundamental para varias funciones, pero quizá la más crítica de todas sea el inversor principal, que convierte la batería de CC en CA trifásica para el buen funcionamiento del motor de tracción eléctrica. El núcleo de los dispositivos de electrónica de potencia son las tecnologías de conmutación de potencia (transistores), que ya han experimentado más de cinco generaciones de avances. En la actualidad, los transistores bipolares de puerta aislada de silicio (Si IGBT) dominan la gama de potencia media, incluidos los inversores para vehículos eléctricos. Ahora estamos pasando a una sexta generación, en la que los materiales semiconductores de banda ancha toman el relevo: el carburo de silicio (SiC) para las aplicaciones de alta tensión y potencia y el nitruro de galio (GaN) para las de baja tensión y potencia. Este cambio permite que los módulos de potencia sean más pequeños y de mayor densidad, que funcionen a temperaturas más altas, y crea nuevas oportunidades de materiales en todo el embalaje del módulo de potencia.

¿Por qué es innovador el inversor de Tesla? Bueno, con el lanzamiento del Modelo 3 en 2018, Tesla se convirtió en la primera empresa en añadir transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET) de SiC, procedentes de ST Microelectronics, en un diseño de inversor propio. El diseño general presenta varias innovaciones, además del uso de encapsulados de SiC, pero ésta es la principal. Ha permitido que el peso total del inversor (4,8 kg) sea inferior a la mitad del Nissan Leaf de 2019 (11,15 kg) y más de un tercio menos que el del Jaguar I-PACE (8,23 kg), que utilizan inversores IGBT de Si y componentes comerciales.

El uso de MOSFETs de SiC crea además nuevas oportunidades en cuanto a materiales, ya que los límites de los materiales tradicionales se han ampliado. Para hacer frente a las mayores densidades de potencia real, se utiliza un marco de plomo de Cu (estructuras metálicas que llevan las señales de la matriz al resto del inversor) en lugar de las uniones de hilo más convencionales. El material de unión de las matrices también ha pasado de las soldaduras convencionales a los materiales de unión de matrices sinterizados de Ag para soportar las temperaturas más altas.

¿Cuál es el problema? Como ocurre con cualquier tecnología emergente, el coste ha sido la principal barrera para la adopción de los MOSFET de SiC y otros materiales que facilitan los encapsulados de los módulos de potencia. Pero Tesla parece haber resuelto esto también: su inversor ha experimentado un notable descenso de costes en sólo tres años. El gráfico siguiente muestra una curva de experiencia, calculada por IDTechEx, basada en las estimaciones de costes del inversor del Model 3 en 2018 y de una segunda generación del mismo inversor del Model Y en 2020. Como se puede ver, el inversor SiC de Tesla ya parece estar a la altura de los módulos Si IGBT utilizados en las versiones 2019 del Nissan Leaf y el Jaguar I-PACE.

El resultado es que la combinación global de inversor y motor de imanes permanentes de Tesla es una de las mejores (si no la mejor) del mercado, alcanzando una eficiencia del 97%, lo que permite obtener más autonomía sin aumentar la costosa capacidad de la batería. Todo ello con un coste similar al de las tecnologías más antiguas a las que se está desplazando.

Imagen 2-> Fuente: IDTechEx con datos del coste inicial de los encapsulados de inversores de Munro & Associates