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¿Los transductores híbridos son el futuro para los convertidores de potencia con MOSFET de SiC?

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Se prevé que surjan mercados para sensores capaces de ofrecer tiempos de respuesta a partir de 100ns y unas frecuencias de corte sin precedentes por encima de 1MHz
 
Gran parte de lo que buscan muchos operadores en el mundo industrial para aumentar sus niveles de sostenibilidad y productividad depende de la mayor eficiencia de los convertidores de potencia. El convertidor de potencia del futuro, preparado para funcionar en los entornos más adversos, incluido un amplio rango de temperaturas, necesitará ofrecer una potencia más elevada y ser ligero, silencioso y capaz de funcionar a alta frecuencia. Su bajo consumo también será primordial.

El requisito de alta frecuencia y la necesidad del menor tamaño posible hace que los convertidores de potencia deban incorporar componentes pasivos más pequeños para ofrecer ventajas en cuanto a reducción de tamaño y peso. La tendencia a abandonar el silicio puro y recurrir cada vez más a los MOSFET de carburo de silicio (SiC) de alta frecuencia en circuitos de potencia pulsante de alta tensión ha permitido disminuir el espacio necesario y los costes, así como aumentar la eficiencia y mejorar el rendimiento.
Gracias a su capacidad de conmutación a mayor velocidad, los dispositivos basados en SiC pueden funcionar a frecuencias con un ancho de banda muy superior a 100kHz. Esto ha abierto la posibilidad de utilizarlos en aplicaciones como sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), inversores solares, accionamientos de velocidad variable CA y de servomotor, corrección del factor de potencia y máquinas de soldadura controladas por ordenador.
No obstante, siempre ha habido un equilibrio entre rendimiento y tiempo de respuesta, y los usuarios en los diversos sectores del mercado se han esforzado por hallar una solución que pueda satisfacer sus requisitos cada vez más exigentes. Si bien los clásicos transductores en versiones con lazo abierto y lazo cerrado alcanzan respuestas de hasta 300kHz, en el mercado actual siguen sin ser suficientes para las necesidades de detección de un elevado ancho de banda debido a la adopción de transistores IGBT (insulated-gate bipolar transistors) de SiC.

Ancho de banda superior a 1MHz
Un cliente del sector de la soldadura contactó con LEM, el líder del mercado en el suministro de soluciones innovadoras y de alta calidad para medir parámetros eléctricos, ya que los tiempos de respuesta y las respuestas de frecuencia existentes en sus convertidores de potencia se mostraban inadecuados. En este contexto, LEM desarrolló un transductor híbrido que superaba de largo los niveles de rendimiento de cualquier otra empresa del mercado.
Este dispositivo híbrido es una mezcla de ASIC (application specific integrated circuit) y transductor basado en CC con una bobina inductiva pura para acelerar la señal. Gracias a la bobina de captación integrada en el ASIC de LEM, el transductor es capaz de reaccionar como un transformador de corriente. Si bien los transductores de CA existentes y basados en una bobina pura pueden lograr mayores niveles, no hay ningún transductor de CC que incorpore la tecnología en lazo abierto y una bobina de captación que puede funcionar con anchos de banda superiores a 1MHz; hasta ahora.
La solución de LEM – la familia HOB formada por unos 20 sensores de corriente multirrango de bajo consume capaces de medir corrientes CA, CC o de pulsos de hasta 250A – fue desarrollada para cumplir los objetivos de detección con un elevado ancho de banda cuando utilizan MOSFET de SiC de conmutación rápida en circuitos de potencia pulsante de alta tensión en los que son fundamentales los pulsos rápidos y flexibles de alta tensión. El cliente buscaba en concreto una solución de máximo rendimiento que proporcionara unos tiempos de reacción de respuesta rápida y un mayor ancho de banda, todo ello en un tamaño más reducido.

Tecnología de semiconductor totalmente distinta
Si bien un sensor en lazo cerrado suponía normalmente una opción de alto coste para cualquier sector que desee conseguir estos objetivos, LEM espera que su transductor híbrido pronto resulte atractivo para diversos mercados que tratan de adoptar cualquier tipo de convertidor en modo conmutado que se base en módulos de potencia de SiC y GaN (nitruro de galio) con un amplio salto de banda. La creciente tendencia hacia los convertidores en modo conmutado viene impulsada por la necesidad de dispositivos y equipos lo más pequeños posibles y con una mejor relación entre consumo y peso.
Gracias a lo que LEM denomina “una tecnología de semiconductor totalmente distinta”, los transistores de muy alta velocidad de SiC o GaN no solo garantizan unos tiempos de conmutación más rápidos sino que también pueden funcionar a frecuencias más altas y resisten una tensión más elevada. La compañía espera que esta tecnología de transistor sea la norma en solo cinco años.
Sin embargo, en la familia HOB, mucho más importante que la frecuencia del ancho de banda es el tiempo de respuesta, es decir, el tiempo que transcurre entre la corriente primaria y la salida del transductor. Este factor ha sido clave para el cliente de LEM que se dio cuenta de que los transistores que conmutan a una velocidad cada vez mayor deben tener un transductor de corriente capaz de seguir di/dt (el índice de variación de la corriente) lo mejor posible.

Tiempos de respuesta a partir de 100ns
Tradicionalmente, si bien di/dt podría ser de hasta 500A por microsegundo (es posible que incluso 1kA/us) con esta tecnología, el tiempo de respuesta en otros transductores era de unos 1,5 microsegundos. LEM se comprometió a proporcionar a su cliente un tiempo de respuesta de hasta 200 nanosegundos. Y no solo cumplió este objetivo sino que lo mejoró con la nueva familia HOB y su bobina de captación, que ofrece un tiempo de respuesta de 150ns (10 veces más rápido que cualquier otro en el mercado). En algunos casos, el tiempo de respuesta fue de tan solo 100ns.
Los modelos pertenecientes a la familia HOB ofrecen corrientes nominales de 50A, 75A, 100A y 130A, mientras que las corrientes para la potencia máxima (Ipm) multiplican por 2,5 estas cifras. Los modelos especiales (SP) dentro de la gama se han diseñado a medida para cumplir las especificaciones de un usuario determinado pero todas ellas tienen una frecuencia de corte (a -3dB) superior a 1MHz. La familia de transductores HOB estándar tiene una fuente de alimentación de 5V (con una referencia de tensión de 2,5) pero otros modelos tienen fuentes de alimentación de 3,3V, 3,4V y 3,5V. Todos ellos pueden funcionar a temperaturas de -40°C a +105°C.
Entre las otras funciones que sitúan al sensor HOB por delante de sus competidores se encuentran la separación galvánica entre el circuito primario y secundario, una barra colectora integrada y un innovador diseño que permite ahorrar espacio gracias al montaje en la placa de circuito impreso mediante tecnología THT (through hole technology).

El futuro de la tecnología híbrida
El transductor híbrido, que ocupa la misma superficie que los transductores anteriormente disponibles en el mercado, se basa en una tecnología que LEM ha suministrado con éxito en el pasado al sector de la automoción. No obstante, gracias a su menor tamaño y a su rendimiento superior, LEM espera que esta tecnología se extienda a otros dominios a medida que disminuyan los costes de fabricación de los transistores, se incremente la automatización y aumente la producción.
Se prevé que el futuro de esta nueva tecnología híbrida esté asegurado cuando el mercado crezca en aplicaciones de coste muy bajo, excelente rendimiento y alto tiempo de respuesta. Entre las aplicaciones extremadamente exigentes que resultan perfectas para el nuevo dispositivo de LEM se encuentran cortadoras de plasma portátiles, soldadores y convertidores CC/CC, así como el mercado de SAI antes mencionado, fuentes de alimentación conmutadas, accionamientos de velocidad variable CA y de servomotor, y convertidores estáticos para accionamientos de motores de CC.
LEM ya está recibiendo solicitudes de clientes para un transductor montado sobre una placa de circuito impreso que ofrece corrientes nominales de 300A, 600A y superiores. Si bien es difícil averiguar exactamente con qué rapidez evolucionará la demanda, LEM está en condiciones de suministrar un sensor de corriente multirrango en lazo abierto a un gran número de mercados. Este sensor destaca por unos tiempos de respuesta y un ancho de banda de frecuencia sin precedentes además de fiabilidad, bajo consumo, bajo ruido y una inmunidad mejorada frente a dv/dt (aceleración) a los que pueden verse sometidos los módulos de potencia de SiC.
 
LEM – Life Energy Motion
LEM, una compañía líder en medidas eléctricas, desarrolla las mejores soluciones destinadas a la energía y la movilidad para garantizar que los sistemas de los clientes estén optimizados, fiables y seguros. Nuestra plantilla, formada por 1.500 personas en más de 15 países, transforman el potencial tecnológico en respuestas potentes. LEM desarrolla y contrata a los mejores talentos del mundo que trabajan a la vanguardia de grandes tendencias como energías renovables, movilidad, automatización y digitalización.
Gracias a sus innovadoras soluciones eléctricas, LEM ayuda a sus clientes y a la sociedad a acelerar la transición hacia un futuro sostenible. LEM cotiza en la bolsa suiza (SIX Swiss Exchange) desde 1986 con el símbolo LEHN.
www.lem.com 

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