Control térmico

La gestión térmica en la revolución del carburo de silicio

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Para los vehículos eléctricos, la eficiencia es el nombre del juego. Hay muchas vías para mejorar la eficiencia, especialmente en el tren motriz, y una de las áreas clave es la electrónica de potencia. De estos componentes, el inversor principal es el de mayor potencia y ofrece la mejor oportunidad para mejorar la eficiencia. El inversor principal se encarga de convertir la salida de CC de la batería en una entrada de CA para el motor eléctrico.

En los últimos años, hemos empezado a ver semiconductores de banda ancha, como el carburo de silicio (SiC), adoptados en los inversores de los vehículos eléctricos para sustituir a los típicos transistores bipolares de puerta aislada de silicio (Si IGBT). El uso del SiC permite que los módulos de potencia tengan una mayor densidad y puedan funcionar a temperaturas más elevadas, lo que supone nuevas oportunidades de gestión térmica y de materiales para la electrónica de potencia de los vehículos.

La transición al SiC

A pesar del aumento del coste de los transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) de SiC, su penetración en el mercado de los vehículos eléctricos ha sido considerable. Según una investigación de IDTechEx, en 2020, los inversores MOSFET de SiC representaban casi el 30% del mercado de los VE a nivel mundial. Tesla inició la tendencia en 2018, y otros como BYD tienen vehículos en la carretera. Gigantes como Stellantis y Hyundai están incluyendo la electrónica de potencia SiC en los modelos de baja gama para ayudar a habilitar sus plataformas de alto voltaje (800 V).

Retos de la gestión térmica

La electrónica de potencia en los vehículos eléctricos presenta interesantes retos de gestión térmica y la adopción del SiC cambia varios aspectos del diseño del módulo y del encapsulado junto con la selección de materiales. En un encapsulado de electrónica de potencia tradicional, se producen varios puntos de fallo potenciales con los ciclos térmicos. A medida que el encapsulado se calienta y se enfría, el desajuste de la expansión térmica entre los materiales provoca la degradación de varias conexiones, entre las que se incluyen las uniones de los cables, la unión a la matriz y la unión al sustrato. En los paquetes de SiC, la densidad de potencia y la temperatura de funcionamiento pueden aumentar considerablemente, lo que significa que algunas opciones tradicionales ya no son adecuadas.

Hoy en día, las uniones de cables de aluminio son la tecnología de interconexión dominante, sin embargo, éstas son un punto de fallo común. Esto ha llevado a un mayor uso de la unión de cables con aleaciones de aluminio, cobre o incluso la unión directa de plomo. Los materiales de fijación de las matrices también son fundamentales. Esto se suele hacer con una soldadura tradicional, pero con temperaturas de funcionamiento más elevadas (especialmente en el caso del SiC), la soldadura SAC (estaño-plata-cobre) normal puede ser poco fiable, lo que ha llevado a la aparición de alternativas como el sinterizado de plata para ofrecer un rendimiento mucho mejor en los ciclos térmicos. El paquete de Tesla de STMicroelectronics utiliza una combinación de uniones de cinta de cobre y uniones de alambre de aluminio con sinterización de plata para su unión a la matriz. Estamos muy interesados en estas tecnologías alternativas emergentes. A medida que avancemos, seguro que veremos una mayor adopción de estas opciones en los paquetes de inversores para permitir una mayor fiabilidad en factores de forma más pequeños con una mayor eficiencia.

A mayor escala, al igual que muchas baterías de los vehículos eléctricos, la electrónica de potencia de los vehículos tiende a ser refrigerada por líquido. Normalmente, el refrigerante pasa por las aletas del disipador de calor situado bajo el módulo. Aunque esta sección de la gestión térmica de la electrónica de potencia puede no ser tan innovadora como los materiales emergentes dentro del encapsulado, sigue presentando interesantes oportunidades de integración en todo el vehículo. Muchos vehículos utilizan la misma vía de refrigeración a través de la electrónica de potencia y el motor eléctrico. Por ejemplo, en algunos modelos, el calor residual puede extraerse de la cadena cinemática para calentarlo en el habitáculo, lo que ayuda a reducir las pérdidas y a mejorar la autonomía general del vehículo, especialmente en condiciones de frío.

La evolución de la electrónica de potencia, especialmente hacia los semiconductores de banda ancha, está transformando la gestión térmica y, por tanto, el panorama de los materiales en la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos. El informe "Thermal Management for Electric Vehicles 2021-2031" de IDTechEx cubre varios casos de uso dentro de los paquetes de electrónica de potencia de los vehículos eléctricos, además de investigar las tendencias en torno a las opciones de unión de cables, fijación de matrices y materiales de sustrato. Además de la electrónica de potencia, el informe profundiza en las estrategias de gestión térmica de las baterías, los motores y la electrónica de potencia, incluyendo previsiones de mercado hasta 2031.

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