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Circuitos integrados

Reducción del tamaño, el ruido y los fallos de campo de las APU de transporte

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A medida que la electrificación de los vehículos prolifera en el segmento de los vehículos eléctricos de consumo, otras formas de transporte también persiguen la macrotendencia mundial, como los ferrocarriles, los aviones, los camiones de reparto y los vehículos todoterreno, entre otros. Todas las formas de vehículos eléctricos tienen en común dos sistemas de electrificación: la unidad de potencia de tracción (TPU), que proporciona la propulsión del vehículo, y la unidad de potencia auxiliar (APU), que suministra energía para todas las demás cargas a bordo, desde la iluminación y las puertas, hasta el aire acondicionado y las tomas de corriente.

A diferencia de los vehículos eléctricos de consumo, que dan prioridad a la autonomía por carga, otros casos de uso en el transporte pueden tener diferentes prioridades que se abordan mediante mejoras en la APU. Por ejemplo, el espacio del habitáculo es muy importante en los trenes ligeros, ya que el espacio libre permite que haya más pasajeros con billete pagado. La fiabilidad del campo es primordial para los vehículos de minería, donde el tiempo de inactividad se mide en millones de dólares al día. Y en todos los casos de uso, la comodidad de los pasajeros es fundamental en un mercado atendido por fabricantes de equipos originales competitivos que se dirigen a compradores exigentes.
Las elevadas pérdidas de conmutación de los IGBT de silicio han bloqueado las mejoras de las APU de transporte. Al limitar la frecuencia de conmutación, los IGBT fijan el tamaño mínimo de los componentes físicos más grandes de la APU, el transformador de aislamiento y el disipador. Con el SiC, se puede reducir drásticamente el tamaño del transformador de aislamiento conmutando a frecuencias más altas; y con las pérdidas de conmutación reducidas en un 80% o más, los disipadores térmicos se reducen a su vez. Además, las frecuencias de conmutación de la APU pueden extenderse más allá de la gama audible, eliminando el silbido agudo que resulta molesto para los pasajeros. Por último, la eficiencia es esencial porque la APU funciona continuamente, a menudo con poca carga; las pérdidas de conducción de los MOSFET de SiC son menores que las de los IGBT de la competencia en condiciones de poca carga.

¿El SiC Está a la Altura?
La resistencia de los MOSFET de SiC en condiciones muy variadas es esencial para las APU que alimentan tanto cargas de confort como de emergencia. Hay que verificar: 1) la estabilidad del óxido de puerta del MOSFET, un problema conocido para los MOSFET de SiC; 2) la vida útil del óxido de puerta; 3) la estabilidad del diodo del cuerpo del MOSFET; y 4) las medidas de resistencia a los fallos, como la resistencia a la avalancha y la supervivencia al cortocircuito.

Integridad del óxido de Puerta
Si el voltaje umbral se desplaza, el rendimiento del dispositivo cambia (por ejemplo, aumenta la resistencia de encendido), lo que provoca un comportamiento errático del sistema y un posible fallo de la APU. La figura 1 muestra cómo los datos de Vth de los MOSFET de SiC de tipo de producción no deberían mostrar ningún cambio significativo después de 1000 h de estrés a 175 C.
Figura 1. Tensión de umbral de los MOSFET de SiC de producción antes y después de la tensión de polarización de puerta a alta temperatura (izquierda) y positiva (derecha).
Se puede predecir la vida útil del óxido de la puerta acelerando las muestras hasta el fallo utilizando una temperatura y un campo eléctrico elevados. Se extrae la energía de activación para cada modo de fallo y se utiliza una ecuación de Arrhenius para extrapolar la vida útil del óxido (véase la figura 2). El óxido de puerta de un MOSFET de SiC de grado de producción puede durar mucho más de 100 años a alta tensión, lo que garantiza la confianza en el funcionamiento rutinario y fiable de la APU más allá de la vida útil diseñada.

Figura 2. Ejemplo de la vida útil extrapolada del óxido del MOSFET de SiC de grado de producción de Microchip.

Estabilidad del diodo del cuerpo
A diferencia del IGBT, el MOSFET de SiC puede conducir la corriente inversa utilizando su diodo de cuerpo intrínseco. En algunos dispositivos, este diodo se degrada con el tiempo, provocando un aumento de la RDSon y más calor del diseñado. La figura 3 muestra las curvas I-V del diodo de cuerpo y la resistencia de drenaje-fuente del MOSFET en estado ON (RDSon) después de muchas horas de tensión de corriente directa constante [1]. Se observó una gran variación entre los distintos proveedores. Un proveedor sufrió una degradación notable; otro quedó inutilizado. Los dispositivos seleccionados no deberían mostrar ningún cambio perceptible. El uso de un MOSFET de SiC con un diodo de cuerpo estable mejora la fiabilidad y reduce el coste al eliminar el diodo antiparalelo.

 

  

 

 


Figura 3. RDSon antes y después de la tensión de los MOSFET de SiC disponibles en el mercado, lo que revela la diferente calidad del diodo de cuerpo intrínseco de tres proveedores [1].


Supervivencia en el campo: Cortocircuito y Avalancha
Las APUs de transporte son susceptibles de sufrir una gran variedad de fallos, lo que exige que los MOSFETs de SiC estén diseñados para superar con seguridad estos eventos y mantener un rendimiento constante antes y después de los fallos.


La capacidad de resistencia al cortocircuito mide la capacidad del MOSFET para sobrevivir a un cortocircuito instantáneo del enlace de corriente continua a través de sus terminales de drenaje-fuente. Los canales del MOS están mejorados, lo que permite que un dispositivo correctamente diseñado distribuya de forma segura las corrientes máximas en el área de la pastilla del MOSFET. La figura 4 muestra los tiempos de resistencia al cortocircuito (SCWT) de los MOSFET de SiC de producción; el ejemplo de Microchip se sitúa entre 3 y 14 microsegundos, y depende de la tensión del enlace de corriente continua y de la VGS aplicada. Esto es suficiente para muchos controladores de puerta disponibles en el mercado. Un controlador avanzado, como el que se describe en la siguiente sección, añade inteligencia a la detección de cortocircuitos.

Figura 4. Tiempo de resistencia al cortocircuito para los MOSFET de SiC de producción.
La resistencia a la avalancha es aún más exigente: la corriente de carga se vierte repentinamente en el MOSFET, obligando a la tensión de drenaje-fuente a aumentar hasta la interrupción. A diferencia del cortocircuito, los canales del MOS no están mejorados; la corriente de avalancha sobrecarga el borde de la pastilla, llevando rápidamente al dispositivo a sus limitaciones térmicas.
La conmutación inductiva repetitiva sin sujeción (R-UIS) se utiliza para evaluar la resistencia a la avalancha de un dispositivo. La figura 5 muestra la ruptura dieléctrica en función del tiempo (TDDB) de los MOSFET de SiC comerciales antes y después de 100.000 ciclos de R-UIS. Muchos proveedores mantienen la resistencia del óxido, pero la capacidad de probar hasta cuatro veces la resistencia junto con la estabilidad en RDSon y la fuga de la fuente de drenaje [2] refuerza la capacidad de los MOSFET de SiC para atravesar con seguridad las condiciones de sobrecarga eléctrica más exigentes.

 

Figura 5. Ruptura dieléctrica dependiente del tiempo antes y después de un fallo de avalancha repetitivo para los MOSFET de SiC disponibles en el mercado de cuatro proveedores.

 


Conmutación Más rápida con Encapsulado de Baja Inductancia
Combinadas con altos ratios de borde, las inductancias problemáticas en un sistema de potencia provocan mayores pérdidas de conmutación, tensiones de desbordamiento excesivas, EMI no conforme y, potencialmente, fallos en la APU. Las medidas preventivas que deben tomar los diseñadores para reducir las velocidades de los MOSFETs pueden hacer que se pregunten qué ha pasado con la propuesta de valor de SiC.
El encapsulado SP6LI de baja inductancia de Microchip ilustra cómo pueden resolverse estos problemas. El formato de configuración de la etapa de fase inserta menos de 3 nanohenrios de inductancia parásita en el bucle de potencia. Internamente, se han realizado optimizaciones de diseño para garantizar una sincronización y un reparto de la corriente idénticos. El rendimiento térmico puede mejorarse con el uso de cerámica de nitruro de silicio (también se ofrece nitruro de aluminio), y las opciones de placa base incluyen cobre y AlSiC. Externamente, los terminales de alimentación permiten una conexión de baja inductancia al enlace de corriente continua y un paralelismo óptimo en dos orientaciones. El SP6LI permite al diseñador accionar los MOSFETs de SiC a velocidades más altas con la máxima eficiencia y la reducción de EMI, reduciendo las APUs a la vez que se evitan los fallos relacionados con la EMI.

Los Controladores de Puerta Mantienen las APU en el Buen Camino
El rendimiento y la fiabilidad de las APU también pueden optimizarse utilizando controladores de puerta digitales programables que permiten ajustar con precisión la tensión de desbordamiento y las pérdidas de conmutación sobre la marcha. Esto permite a los diseñadores de APU reducir el coste y el tamaño de la APU con componentes de menor voltaje y disipadores de calor más pequeños, y eliminar las horas de trabajo con un soldador y un cubo de resistencias de puerta.
El impacto de la conmutación aumentada puede verse en la Figura 6. A diferencia de la desconexión convencional (izquierda), la desconexión aumentada comienza con una tensión de encendido de 20 V, pasa a un nivel intermedio programado por el usuario durante un tiempo de permanencia especificado y, finalmente, al estado de apagado de -5 V. Los efectos son modestos debido a la inductancia extraordinariamente baja del SP6LI; en otros lugares se han publicado resultados que muestran una influencia más pronunciada [2,3]. Además, los eventos de cortocircuito se detienen rápidamente, reduciendo la tensión y la corriente de pico en un 60% y un 10%, respectivamente (Figura 7).


Figura 6. Interfaz gráfica de usuario para el controlador de puerta AgileSwitch™ programable y formas de onda de apagado utilizando (izquierda) conmutación convencional y (derecha) conmutación aumentada.

 

 


Figura 7. Demostración de cómo la conmutación aumentada (derecha) puede reducir la tensión y la corriente de pico durante un evento de cortocircuito en comparación con la conmutación convencional (izquierda).


Solución Total del Sistema SiC
Los diseñadores que deseen agilizar desde la evaluación de doble pulso hasta la producción en serie necesitarán kits de desarrollo acelerado que unifiquen las tres piezas en la solución total del sistema SiC para las APU de transporte: dispositivos de potencia SiC resistentes, paquete de potencia de baja inductancia y controlador de puerta inteligente. La figura 8 muestra cómo la solución de Microchip puede introducirse en un circuito de APU.

Figura 8: Implementación propuesta de puente completo con desplazamiento de fase del ASDAK+ de Microchip en la sección DC-DC de una APU de transporte. [4]


Resumen
El uso de MOSFETs de SiC en unidades de potencia auxiliares para vehículos de transporte ofrece beneficios disruptivos sobre los IGBTs de silicio con respecto al tamaño, peso, eficiencia y ruido de la APU. Sin embargo, estas ventajas sólo pueden conseguirse con una alta fiabilidad de campo utilizando MOSFETs de SiC resistentes, un encapsulado de baja inductancia y un controlador de puerta lo suficientemente inteligente como para tomar el control del ágil rendimiento del SiC. Los diseñadores pueden ahora resolver los retos del diseño de las APU de transporte con soluciones totales de sistemas de SiC que permiten simultáneamente reducir el tamaño, el ruido y los fallos de campo de las APU de transporte.


References
[1] Agarwal, A. and Kang, M., private communication, 2020.
[2] Speer, K., Satheesh, N., Kashyap, A., and Bontemps, S., “Streamlined SiC Development With a Total System Solution,” IEEE Power Electronics Magazine, Vol. 7, No. 4, pp. 28-35, 2020.
[3] Satheesh, N., Robins, C., and Fender, A., “The State of Intelligent SiC MOSFET Gate Drivers,” Bodo’s Power Systems, pp. 30-33, February 2018.
[4] Satheesh, N., “Silicon carbide MOSFETs: Handle with care,” in Proc. Applied Power Electronics Conference (APEC), San Antonio, Texas, USA, 2018.
[5] Hayashiya, H. and Kondo, K., “Recent Trends in Power Electronics Applications as Solutions in Electric Railways,” IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, vol. 15: 632-645, 2020.

Autor: Por Kevin Speer, Nitesh Satheesh y Marc Rommerswinkel, Microchip Technology

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