Para poder cumplir los requisitos del amplio mercado de la electrónica del automóvil, desde carretillas eléctricas, pasando por vehículos eléctricos e híbridos y llegando hasta los grandes vehículos industriales y agrícolas, SEMIKRON ha creado un Grupo de Sistemas para concentrar toda su experiencia en este campo dentro de un mismo grupo de trabajo. Este grupo trabaja en colaboración con los clientes para desarrollar sistemas de potencia que son comercializados bajo la marca SKAI. La 2ª generación de SKAI systems está ya disponible en el Mercado.

Este Grupo se ha formado para reunir toda la experiencia acumulada por SEMIKRON a lo largo de los casi 20 años que lleva ofreciendo sistemas integrados de potencia a sus clientes. Inicialmente, solo se ofrecía los módulos de potencia junto a los drivers, pero actualmente, el nivel de integración ha subido al incluirse la electrónica de control, de tal manera que el equipo queda listo para aceptar el software del cliente y poder utilizarse como un sistema completo.

Los sistemas de potencia SKAI ofrecen un alto nivel de integración y grandes ventajas frente a otros sistemas actualmente existentes. Además, han sido desarrollados para cumplir con los estándares y los sistemas de cualificación más exigentes del sector del automóvil, lo que permite reducir los costes de desarrollo del producto final y reduce el tiempo de puesta en el mercado del producto. Los sistemas SKAI se suministran como plataformas estándar basadas en chips MOSFETs de baja tensión o IGBTs de alta tensión. Los sistemas SKAI también pueden customizarse de acuerdo a las especificaciones concretas de los clientes.

Un sistema, tres tipos

El SKAI2 de alta tensión está disponible en 600 y 1200 V de IGBTs y con refrigeración de agua. Además, ha sido optimizado para su utilización en aplicaciones como coches 100% eléctricos y autobuses eléctricos e híbridos. Este sistema está basado los módulos SKiM93, módulos 100% sin soldadura, e incorporan un bus de condensadores de polipropileno, drivers de disparo, un controlador DSP de última generación, filtros EMC y sensores de corriente, tensión y temperatura. Todo ello esta integrado dentro de una caja IP67. La comunicación con el control central es a través de un CAN bus. Estos sistemas se han diseñado para potencias de hasta 150 kW (ver Figura 1 y Figura 2).

La versión de baja tensión incorpora refrigeración por agua o por aire y va equipada con MOSFET de 50, 100, 150 o 200 V. Las topologías existentes son inversor trifásico y back to back (doble inversor trifásico). Estos sistemas se utilizan principalmente en vehículos industriales tales como carretillas eléctricas, etc. La potencia de salida de este equipo llegaría hasta los 40 kW. Además, incorporan las mismas prestaciones que el sistema de IGBTs, por lo que los clientes se benefician de utilizar el mismo sistema de control y las mismas conexiones y mecánica.

El tercer tipo de SKAI 2 es un sistema multi-converter refrigerado por agua. Un sistema multi-converter típico incluye convertidor “active front end” de 40 kVA, un inversor trifásico de 20 kVA, un inversor trifásico de 10 kVA y un convertidor DC/DC de 14V/300A o 28V/165A (ver Figura 3 y Figura 4).

Todos los módulos SKAI2 han sido cualificados mediante diferentes métodos, tales como un ensayo acelerado de vida (HALT), ensayos de fiabilidad y fin de vida, etc., para asegurarse de que cumplen con todas las normativas aplicables al sector de la automoción. El contacto térmico y eléctrico se realiza mediante la tecnología de contacto por presión, lo que aumenta radicalmente la vida del producto y su resistencia al fallo por fatiga. Los sistemas y los componentes semiconductores se fabrican mediante procesos de fabricación de alta tecnología que incluyen test funcionales después de la misma y, en caso necesario, ensayos de “burn-in”, que garantizan un alto nivel de calidad.

Tecnologías novedosas

Hay muchos factores que afectan a la eficiencia y fiabilidad de los sistemas de potencia.
Para conseguir la máxima eficiencia, en términos de coste, espacio y eficiencia, además, de una alta fiabilidad, es importante lograr la combinación adecuada de chips, empaquetado, diseño mecánico y rendimiento térmico. Esto puede convertirse en una tarea complicada si el diseñador tiene que depender del uso de sistemas comerciales estándar, ya que es importante optimizar la selección de los chips y realizar las conexiones eléctricas de manera adecuada para obtener un rendimiento óptimo del sistema.

Muchos fabricantes de sistemas se centran en una sola tecnología, como MOSFET o IGBT, o se concentran en aplicaciones que requieren un solo nivel de tensión. Sin embargo, la gran variación en los requisitos que se le exige a los sistemas actuales hace crítico el poder elegir la tecnología de semiconductor adecuada para cada aplicación. Debido a que SEMIKRON es un importante fabricante de semiconductores de potencia, puede buscar los límites en áreas como el tamaño y la temperatura. Por ejemplo, SEMIKRON fabrica grandes cantidades de drivers de IGBTs y MOSFETs, y debido a esta experiencia, ha desarrollado circuitos integrados específicos (ASICs) que reducen drásticamente el tamaño y la lista de componentes del sistema, aumentando su fiabilidad.

Los últimos desarrollos en la electrónica de potencia se centran en conseguir densidades de corriente más elevadas, una integración del sistema y una mayor fiabilidad. Al mismo tiempo, existe la necesidad de estandarizar y reducir el coste de los interfaces, así como de diseñar productos flexibles y modulares. SEMIKRON ha creado una tendencia en este campo mediante el uso de la tecnología de contacto por muelles para las conexiones eléctricas.

La fiabilidad de los diseños clásicos de los módulos de potencia no es suficiente para muchas de las aplicaciones más recientes de la electrónica de potencia. Por ejemplo, estos módulos clásicos se ven limitados en su capacidad para soportar ciclos de temperatura. Por tanto, es necesario el desarrollo de nuevas técnicas que sean capaces de cumplir con los requisitos de alta fiabilidad demandados por las aplicaciones más modernas.
Otra limitación importante para la vida útil del módulo de potencia es el problema de la fatiga en las soldaduras. En los diseños tradicionales, esta fatiga contribuye de gran manera en los fallos fin de vida útil de los módulos de potencia, especialmente en aquellos casos donde existe una gran variación de la temperatura de trabajo, algo muy habitual en muchas aplicaciones. Diferentes tecnologías se han desarrollado para eliminar las uniones soldadas. Cada una de ellas ofrece pequeñas ventajas frente al diseño clásico, pero combinándolas, se logran grandes beneficios.
El principal problema causado por las altas temperaturas y por los ciclos de temperatura es la delaminación de la unión soldada. Este problema ha sido resuelto completamente en los sistemas SKAI mediante el uso de la tecnología de sinterización, que se utiliza en la unión entre los chips semiconductores y el sustrato cerámico, lo que permite utilizar el SKAI en condiciones de temperatura más elevada con una mejor fiabilidad.
La unión sinterizada consiste una fina capa de Plata que presenta mejores propiedades térmicas que la unión soldada. Además, el proceso de delaminación no ocurre con lo que se consigue una baja resistencia térmica constante durante muchas decenas de miles de ciclos de potencia y de temperatura. El alto punto de fusión de la Plata también impide que el material sufra por fatiga.

Los sistemas SKAI 2 se ofrecen con o sin software de control. En caso necesario, SEMIKRON puede trabajar en colaboración con sus clientes para desarrollar software. Si no, el cliente puede usar su propio software. Esto da al cliente una gran flexibilidad y le permite fabricar equipos con sus propias características customizadas.

El SKAI 2 en aplicaciones de vehículo agrícola

Estos sistemas también se utilizan en vehículos destinados a aplicación agrícola como tractores.
Como ejemplo, podemos poner el caso de un fabricante de tractores que quería desarrollar un sistema de alimentación eléctrico para reducir el consumo y el ruido en sus tractores de gama alta.
Hasta ahora, el equipamiento auxiliar en tractores era conectado al motor/generador principal de manera mecánica mediante engranajes. Esto no permitía que los sistemas auxiliares funcionaran en el punto óptimo de operación, con la consecuente disminución de la eficiencia y el aumento del consumo de combustible. El objetivo era desconectar todo el equipamiento auxiliar del motor principal. Para ello, se usó un generador conectado al motor principal que generaría la potencia eléctrica necesaria. A este generador, se le conectaría un convertidor de potencia que asegurara la operación óptima del ventilador, el compresor de aire, el aire acondicionado y la alimentación de 14 V existente en el tractor.

Un sistema de potencia altamente integrado fue desarrollado para cumplir las especificaciones del cliente a partir del sistema SKAI Multi-converter. Este sistema comprende varios convertidores de potencia que controlan el flujo de energía eléctrica entre los diferentes sistemas. Este sistema puede ser alimentado a través de un generador trifásico o de un bus de continua y se comunica mediante un CAN bus con el control principal del vehículo. Los componentes semiconductores que están integrados en el sistema se eligieron de la familia MiniSKiiP, un producto altamente fiable.
La combinación de diferentes soluciones técnicas da como resultado un menor consumo de carburante, menores emisiones contaminantes y de ruido.

Sistemas de potencia integrados

Se han conseguido muchas mejoras en el camino hacia una mayor integración de los sistemas de potencia. Sin embargo, todavía más avances en fiabilidad, eficiencia, tamaño y versatilidad serán necesarios para aumentar la presencia en el mercado de sistemas de potencia integrados.
Ofreciendo toda su experiencia dentro de un mismo grupo de trabajo, el Grupo de Sistemas de SEMIKRON está capacitado para poder ofrecer a los clientes altos niveles de integración, mejoras en la técnicas de refrigeración del equipo, más rendimiento en los ASICs y novedosas tecnologías de encapsulado.
Nuevos sistemas de aislamiento de los chips, nuevos métodos de fijación de los chips en el módulo y, en un futuro, la eliminación total de los “wire bonds” mejorarán todavía más la fiabilidad y la eficiencia de estos equipos.

Autor: Paul Newman, Managing Director, SEMIKRON UK Ltd.

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