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Toshiba: Una innovadora tecnología de potencia es la clave para un futuro más sostenible

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Ante el aumento de la población mundial, que con toda seguridad será cada vez más dependiente de los equipos electrónicos, el consumo anual de electricidad en todo el mundo se mantiene en niveles inaceptablemente altos. Esto está ejerciendo una gran presión sobre los recursos energéticos disponibles (en particular, las ya casi agotadas reservas de petróleo) y también tiene un grave impacto sobre el medio ambiente (a través de las emisiones de gases de efecto invernadero, etc.).

Por ello, hay que hacer más hincapié en que nuestra sociedad sea más consciente de sus actos y en encontrar formas de evitar que nuestro uso de la energía cause un daño irrevocable al planeta. El despliegue generalizado de instalaciones de generación de energía renovable y la electrificación de los vehículos son dos de las principales iniciativas que lo impulsan.
En los próximos años, se espera que el consumo de vehículos eléctricos se multiplique por diez en comparación con el actual. Por ejemplo, la Unión Europea (UE) aspira a tener más de 30 millones de vehículos eléctricos de pasajeros en sus carreteras a finales de esta década. Esto se debe a varias razones. En primer lugar, las grandes inversiones que los gobiernos y las empresas privadas están realizando en infraestructuras de recarga hacen que el público pueda tener más confianza en el cambio de sus coches convencionales de combustión interna por los VE. Actualmente hay unos 250.000 puntos de recarga en funcionamiento en todo el continente europeo, y esta cifra sigue aumentando. Otras dos razones fundamentales por las que la adopción de los vehículos eléctricos va a aumentar son la mayor autonomía de estos vehículos y la rapidez con la que pueden cargarse, lo que supone una mayor comodidad para el usuario.
Por otra parte, el impulso para mejorar la eficiencia operativa y eliminar las pérdidas de energía es igualmente importante. Cuanto mayor sea la proporción de energía solar y eólica que pueda transformarse en electricidad, más eficaces serán estos emplazamientos renovables, por lo que hay que esforzarse en aplicar mejoras de diseño en los inversores empleados. Los motores eléctricos y los accionamientos industriales deben funcionar con el menor desperdicio posible. Para lograrlo, será necesario utilizar algoritmos de control más sofisticados.

 Los nuevos retos necesitan nuevas tácticas
Las exigencias que ahora plantean los vehículos eléctricos, los accionamientos industriales y las energías renovables requieren una innovación continua del sistema eléctrico. La llegada de la tecnología WBG (Wide BandGap) ha sido fundamental para alcanzar nuevas cotas de rendimiento y permitir la reducción del tamaño total del sistema (al poder especificar componentes pasivos periféricos más pequeños). El uso de carburo de silicio (SiC) en lugar de silicio (Si), por ejemplo, ha permitido alcanzar velocidades de conmutación mucho más rápidas. En consecuencia, la eficiencia de la conversión de energía puede mejorarse drásticamente. Los MOSFETs de SiC están sustituyendo a los voluminosos IGBTs de Si, y se han reducido considerablemente las pérdidas de encendido y apagado. Los beneficios de esto pueden verse en relación con los convertidores CC/CC utilizados en los vehículos eléctricos y los sistemas de energía renovable.
Asimismo, las mayores densidades de potencia que ofrecen los módulos MOSFET de SiC significan que los inversores de energías renovables, los accionamientos industriales y los sistemas de control de motores pueden ser mucho más compactos, sin dejar de ofrecer un funcionamiento más eficiente. Son capaces de trabajar a temperaturas más elevadas que sus homólogos de Si, por lo que también hay que tener en cuenta las ventajas de fiabilidad.

Los avances tecnológicos deben afectar a todos los aspectos de los diseños de los sistemas de potencia si se quieren conseguir las mejoras necesarias para garantizar la sostenibilidad a largo plazo. Estos avances se producirán en los procesos de semiconductores implicados, en el hardware de desarrollo que acompaña a los dispositivos de control de la potencia y del motor, y en la forma de enfocar los desarrollos de los sistemas. Los ingenieros necesitarán un amplio apoyo si quieren alcanzar sus ambiciosos objetivos de eficiencia. Las placas de evaluación les ayudarán a determinar los parámetros de los dispositivos que quieren seleccionar para sus diseños, además de acelerar el trabajo de creación de prototipos. El acceso a los diseños de referencia puede ser muy valioso cuando los ingenieros busquen sustituir sus actuales componentes basados en Si por alternativas WBG de mayor rendimiento.

El papel de Toshiba en el diseño de sistemas de potencia de próxima generación
Toshiba siempre se ha posicionado como pionera en el sector de los semiconductores de potencia, y la empresa sigue reafirmando su compromiso en este sentido mediante un desembolso financiero a gran escala. Dos ejemplos recientes de ello son el anuncio, en primavera, de que las instalaciones de producción de Kaga, en Japón, que cuentan con una plantilla de aproximadamente 1.000 personas, se ampliarán para dar cabida a una línea de fabricación de obleas de 300 mm, junto con la línea existente de 200 mm. La nueva línea se dedicará a la producción de componentes discretos de potencia avanzados.
Más recientemente, Toshiba ha confirmado que creará un laboratorio de alto voltaje en Europa. Situado en su campus de Dusseldorf, el laboratorio supondrá que la empresa añada capacidad de ingeniería local para hacer frente a los elevados requisitos de ingeniería de su creciente cartera de productos de alto voltaje. Esto significa que las necesidades de la base de clientes pueden ser abordadas más rápidamente y mejor por los ingenieros al alcance de la mano - con la simulación y la evaluación de las aplicaciones del mundo real, con el fin de superar los retos técnicos difíciles y formular soluciones eficaces. El laboratorio estará dotado de equipos avanzados para la medición y el análisis de la potencia, y en él trabajarán ingenieros expertos. Está previsto que empiece a funcionar este mes de octubre, y que se vaya ampliando a lo largo de los próximos dos años.

Innovación de productos
Las últimas incorporaciones de Toshiba a su popular familia M4K de unidades de microcontroladores (MCU), cada una de ellas con un núcleo ARM® Cortex®-M4 de 32 bits con unidad de punto flotante (FPU), son capaces de mejorar el control del motor. La tecnología de motor vectorial avanzado plus (A-VE+) que incorporan los nuevos dispositivos TXZ+ hace que sean muy aplicables para el control orientado al campo (FOC) de motores de CA y de CC sin escobillas (BLDC), así como de servoaccionamientos.
El MOSFET TPHR7404PU, recientemente anunciado, tiene una capacidad de bajo pico que mitiga los efectos de sobreimpulso (overshoot) de la conmutación. Este componente discreto de potencia de 40 V y canal N emplea la tecnología de proceso U-MOSIX-H patentada por Toshiba. Es extremadamente adecuado para la rectificación sincrónica secundaria en aplicaciones de fuentes de alimentación conmutadas, lo que permite una notable reducción de las emisiones de interferencias electromagnéticas (EMI).

Figura 1: Diseño de referencia PFC trifásico de Toshiba basado en su tecnología MOSFET SiC TW070J120B

El diseño de referencia de corrección del factor de potencia (PFC) trifásico de entrada de 400 VCA de Toshiba se ha desarrollado con la intención de facilitar la implementación de la infraestructura de carga de los vehículos eléctricos, así como de facilitar la transición de las disposiciones de Si a las de WBG de mayor eficiencia. Cuenta con las tecnologías de MOSFET de SiC TW070J120B y de controlador de puerta TLP5214A de la empresa y tiene un diseño de tipo trifásico sin puente. Con una capacidad de salida de 750VDC, está totalmente alineado con los niveles de tensión más altos que la carga de vehículos eléctricos está exigiendo. Se pueden alcanzar cifras de eficiencia de conversión del 97% y un factor de potencia de 0,99.
Gracias al diseño de referencia DC/DC bidireccional de la empresa, se puede poner en marcha un sistema de alimentación en el que la energía almacenada en las reservas de la batería puede ser utilizada por la red en los momentos de máxima demanda. También se basa en el uso del MOSFET de SiC TW070J120B y los componentes del controlador de puerta TLP5214A, con un MOSFET de canal N basado en Si TK49N65W5 situado en el lado de baja tensión. Este diseño de referencia tiene la capacidad de suministrar 5kW de potencia en ambas direcciones. Se incluyen mecanismos de protección contra sobrecorriente y bloqueo por baja tensión para garantizar la seguridad.
Gracias a la colaboración con el fabricante de hardware de desarrollo MikroElektronika, Toshiba puede ofrecer a los ingenieros una serie de placas Click boards™ para ayudarles a crear sistemas de control de motores eficientes. La DC MOTOR 14 Click es una solución de tipo interruptor con modulación de ancho de pulso (PWM) para el accionamiento de motores de CC con escobillas, con rotación hacia delante y hacia atrás cubierta. El corazón de esta placa es el CI controlador TB67H450FNG, que tiene una corriente máxima de 3,5 A. Los MOSFETs de baja resistencia y el funcionamiento PWM hacen que se consiga un accionamiento eficiente del motor, con una mínima generación de calor.

Figura 2: Placa DC MOTOR 14 Click de Mikroe basada en el CI controlador TB67H450FNG de Toshiba


Todavía quedan muchos obstáculos por superar si queremos adaptar nuestro consumo de electricidad a los recursos disponibles y construir una sociedad que tenga un efecto menos perjudicial para el medio ambiente. Sin embargo, gracias a los continuos avances tecnológicos, podemos ser optimistas en cuanto a la posibilidad de conseguirlo.

Autor: Peter Lieberwirth, Vicepresidente de Marketing y Operaciones, Toshiba Electronics Europe GmbH

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