Diseño

Las soluciones de gestión de potencia de carburo de silicio (SiC) y el control de puertas digitales configurables permiten la "electrificación del todo".

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Las iniciativas ecológicas siguen transformando los diseños de sistemas electrónicos de potencia en aplicaciones industriales, aeroespaciales y de defensa, y especialmente en el sector del transporte. La tecnología de carburo de silicio (SiC) está en el centro de esta tendencia, aportando nuevas capacidades para reducir las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) mediante la electrificación de una amplia y creciente gama de vehículos y aeronaves.

Las soluciones de SiC ofrecen alternativas eléctricas más pequeñas, ligeras y eficientes a los sistemas neumáticos e hidráulicos de las aeronaves para alimentar los alternadores, actuadores y unidades auxiliares de potencia (APU) de a bordo. También reducen los requisitos de mantenimiento de estos sistemas. Pero el escaparate más destacado de las aportaciones de la tecnología SiC es la misión de electrificar los vehículos de transporte comercial, que se cuentan entre las mayores fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero del mundo. Con la llegada de los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) de 1700 voltios (V) y 3,3 kV y la tecnología de los MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistors), las soluciones de SiC actuales permiten a los diseñadores obtener la máxima productividad de estos sistemas con la mínima cantidad de energía.

La ampliación de la cartera de SiC de Microchip proporciona a los diseñadores los recursos que necesitan para crear soluciones más pequeñas, ligeras y eficientes para el transporte eléctrico, las energías renovables, el sector aeroespacial y las aplicaciones industriales. Los MOSFET y SBD de 3,3 kV de Microchip complementan la amplia gama de productos de SiC de la empresa, que incluye pastillas (die), discretos, módulos y controladores de puerta digitales de 700V, 1200V y 1700V. Los dispositivos de alimentación de SiC de 3,3 kV de Microchip incluyen MOSFET con el RDS(on) más bajo del sector, de 25 mOhm, y SBD con la corriente nominal más alta del sector, de 90 amperios. Tanto los MOSFET como los SBD están disponibles en forma de pastilla o encapsulado. Estos nuevos niveles de rendimiento permiten a los diseñadores simplificar su diseño, crear sistemas de mayor potencia y utilizar menos componentes en paralelo para obtener soluciones de alimentación más pequeñas, ligeras y eficientes.

Beneficios de los MOSFET SiC de 1700V
El paso a los MOSFET de 1700 V ha ampliado las ventajas de la conversión de potencia de la tecnología SiC a los vehículos comerciales y pesados eléctricos, así como a la tracción de trenes ligeros y la alimentación auxiliar. Estos dispositivos están haciendo posible el tren de transmisión o potencia de hoy y del futuro y están sustituyendo rápidamente a los antiguos MOSFET de silicio y a los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Cumplen los requisitos de alta potencia y tensión de algunas de las mayores fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero equivalentes a dióxido de carbono (CO2) del mundo, como autobuses, ferrocarriles, camiones medianos y pesados y la infraestructura de recarga. También ofrecen una eficiencia y fiabilidad del sistema muy superiores a las de los MOSFET e IGBT de silicio, lo que permite a los diseñadores reducir el tamaño de las unidades auxiliares de potencia (APU) y otros sistemas clave de los vehículos.
Los dispositivos SiC de 1700 V actuales reducen las pérdidas de conmutación a una mínima fracción de las que presentan los IGBT de silicio. Esto permite a los diseñadores aumentar la frecuencia de conmutación y reducir el tamaño del convertidor de potencia. A diferencia de los IGBT, estos dispositivos no tienen tensión de reposo, por lo que las pérdidas de conducción también son menores en sistemas como las APU de transporte que funcionan en "condiciones de carga ligera", es decir, abren y cierran puertas de trenes que pasan la mayor parte del tiempo cerradas. Dado que la inmensa mayoría de las aplicaciones funcionan con cargas ligeras durante la mayor parte de su vida útil, los diseñadores pueden aprovechar la combinación de bajas pérdidas por conmutación y conducción de los MOSFET de SiC para eliminar diversas medidas de gestión térmica, como el disipador de calor.

La topología de circuito simplificada y el menor número de componentes de los MOSFET de SiC de alto voltaje actuales también mejoran la fiabilidad al tiempo que reducen los costes. Su tensión de bloqueo de 1700 V reduce el tamaño del convertidor de potencia y permite a los diseñadores sustituir las arquitecturas de circuito de tres niveles por un circuito de dos niveles mucho menos complejo. Esto reduce el número de dispositivos a la mitad, o más, a la vez que agiliza el control.

Consideraciones importantes sobre MOSFET SiC
Al elegir MOSFETS de SiC para vehículos de transporte pesado y otras aplicaciones de varios megavatios, los diseñadores deben tener en cuenta varios factores importantes. Uno de ellos es la conveniencia de utilizar soluciones modulares basadas en una celda de unidad básica (también conocida como bloque de construcción de electrónica de potencia o submódulos).
Históricamente, los dispositivos semiconductores de potencia utilizados en las celdas unitarias han sido IGBT de silicio de 1200V a 1700V. Al igual que en las aplicaciones de menor potencia, el despliegue de MOSFET de SiC de 1700 V en el nivel de celda unitaria amplía su capacidad de manejo de potencia y su rendimiento eléctrico. Como ya se ha mencionado, los MOSFET de SiC de 1700 V tienen pérdidas de conmutación mucho menores, lo que permite aumentar la frecuencia de conmutación y reducir drásticamente el tamaño de cada celda unitaria.

Además, la alta tensión de bloqueo de 1700 V reduce el número de celdas unitarias necesarias para la misma tensión de enlace de CC, lo que en última instancia aumenta la fiabilidad del sistema al tiempo que reduce el coste.
Los diseñadores también deben evaluar la robustez del diodo de cuerpo intrínseco del MOSFET de SiC. Los dispositivos no deben mostrar ningún cambio perceptible en las pruebas de RDS(on) -Resistencia de drenaje-fuente- antes y después del esfuerzo. Esto es fundamental para garantizar que no se degraden después de muchas horas de tensión constante de corriente directa (forward), ya que conducen corriente inversa y conmutan cualquier energía restante después de un ciclo de conmutación. Los diseñadores deben revisar cuidadosamente los resultados de las pruebas de los MOSFET de SiC, ya que existe una variación sustancial entre los dispositivos de diferentes proveedores. Muchos muestran al menos cierto nivel de degradación, mientras que otros pueden incluso volverse inestables. La elección de un MOSFET de SiC que no se degrade elimina la necesidad de un diodo antiparalelo externo y el coste de la pastilla (die) y el espacio del módulo de alimentación asociados.
Aún así, pueden surgir problemas relacionados con los distintos niveles de rendimiento del diodo de cuerpo potencialmente incoherentes, en algunos dispositivos más que en otros. Esto puede resolverse ajustando los parámetros de encendido del MOSFET de SiC mediante controladores de puerta digitales configurables. Estos mismos controladores también se utilizan para mitigar los efectos secundarios de la mayor velocidad de conmutación de los MOSFET de SiC, como el ruido y las interferencias electromagnéticas (EMI), así como el tiempo limitado de resistencia a cortocircuitos y la sobretensión causada por la inductancia parásita y el sobrecalentamiento. El control de puerta digital configurable se ha convertido en la clave para aprovechar toda la capacidad de la tecnología SiC.

Resolviendo los retos de diseño a la vez que se crean nuevas oportunidades
Los controladores de puerta digitales configurables se han diseñado específicamente para mitigar los efectos secundarios de la mayor velocidad de conmutación de los MOSFET de SiC. Además de reducir los excesos de tensión de drenaje-fuente (VDS) hasta en un 80% en comparación con el enfoque analógico tradicional, reducen las pérdidas de conmutación hasta en un 50% y el tiempo de comercialización hasta en seis meses. Permiten generar/soportar hasta 20 A de corriente de pico y proporcionan un convertidor CC/CC aislado con barrera de aislamiento de baja capacitancia que puede utilizarse para señales de modulación por ancho de pulsos y realimentación de fallos. También proporcionan una sólida monitorización y detección de fallos al tiempo que ofrecen una respuesta independiente al cortocircuito, y ofrecen un control de encendido/apagado del MOSFET mucho más preciso que los controladores de puerta analógicos tradicionales, que sólo controlan la pendiente de apagado mediante resistencias de puerta para situaciones normales y de cortocircuito. Incluso cuando los controladores de puerta analógicos estándar se adaptan para su uso con MOSFET de SiC, no pueden ofrecer estas capacidades.

Los controladores de puerta digitales configurables también proporcionan nuevas capacidades de conmutación aumentadas. Esto permite a los diseñadores reducir significativamente el tiempo de desarrollo explorando configuraciones y reutilizándolas para diferentes parámetros del controlador de puerta, como perfiles de conmutación de puerta, monitores críticos del sistema y ajustes de interfaz del controlador. La posibilidad de adaptar rápidamente los controladores de puerta a diversas aplicaciones sin cambios en el hardware reduce el tiempo de desarrollo desde la evaluación hasta la producción. Los parámetros de control pueden modificarse en cualquier punto del proceso de diseño, y los diseñadores también pueden cambiar los perfiles de conmutación sobre el terreno según lo requieran las condiciones de la aplicación y/o se degraden los MOSFET de SiC.

Estas capacidades de conmutación aumentadas siguen evolucionando. El control digital de puerta ofrece ahora hasta dos pasos de control de encendido, frente al único paso de los controladores analógicos tradicionales, y hasta tres niveles de control de apagado. Esto proporciona un "aterrizaje suave" durante la desconexión que es muy parecido a pisar los frenos de un sistema antibloqueo. La incorporación de un cuarto nivel de ajuste de cortocircuito ofrece la oportunidad de un control aún más preciso sobre el efecto secundario de las velocidades de conmutación SiC, y de abordar el sobreimpulso, el zumbido y la energía de apagado, entre otras variables. Estas funciones ofrecen a los diseñadores la combinación de una conmutación más rápida y un control más granular y dinámico del encendido y apagado en varios pasos que les permitirá satisfacer las crecientes demandas de las aplicaciones SiC.

Un ejemplo es el control de motores. Cuando la tasa de variación de la tensión (dV/dt) es demasiado alta, la vida útil del motor disminuye y, en consecuencia, aumentan los costes de garantía. Hasta que se disponga de motores de mayor frecuencia, la única forma de resolver este problema con controladores de puerta analógicos es reducir la velocidad de conmutación del SiC, pero esto disminuye la eficiencia. Sólo con las capacidades de encendido aumentadas y configurables de los controladores de puerta digitales se puede ajustar con precisión dV/dt para lograr rápidamente el mejor compromiso posible. La figura 1 resume las diferencias entre los controladores de puerta analógicos y la nueva generación digital.
Figura 1: Comparación de un controlador de puerta analógico tradicional con dos generaciones de tecnología de controlador de puerta digital configurable.

Soluciones completas
Un ecosistema SiC completo ofrece una ruta directa desde la evaluación hasta la producción. Los elementos clave incluyen un núcleo de controlador de puerta, placas adaptadoras de módulos, un módulo de alimentación de baja inductancia SP6LI, hardware de montaje y conectores para el termistor y la tensión continua. Deben proporcionarse kits de programación para el software configurable.
Las placas adaptadoras de módulos son especialmente importantes. Mejoran la flexibilidad al permitir a los diseñadores configurar y reutilizar rápidamente las tensiones de activación/desactivación de los controladores de puerta. Esto puede hacerse con muchos MOSFET de SiC de diferentes proveedores con una variedad de rangos de tensión positiva o negativa, sin necesidad de rediseño. Esto es así incluso si el MOSFET de SiC se utilizaba anteriormente con un controlador de puerta analógico. La simple reconfiguración del controlador de puerta digital permite a los diseñadores trasladar inmediatamente la solución a la producción. Mientras tanto, pueden seguir mezclando y combinando núcleos de controladores de puerta y placas adaptadoras de módulos y seguir el mismo camino acelerado hacia la producción. Pueden empezar las pruebas inmediatamente con un módulo de alimentación de baja inductancia SP6LI conectado a un ordenador portátil y a una etapa de fase.

La combinación de las soluciones de gestión de potencia SiC MOSFET de 1700 V con la tecnología de accionamiento de puerta digital ya ha tenido un impacto considerable en la "electrificación del todo" y, más concretamente, en los vehículos pesados de transporte. Ha permitido que la tecnología SiC satisfaga las necesidades de conversión de potencia de estos vehículos al tiempo que mejora la eficiencia y la fiabilidad. Además, el aumento de la capacidad de conmutación que proporcionan los controladores de puerta digitales configurables está acelerando y simplificando el camino que va del diseño a la producción, al tiempo que crea nuevas capacidades que incluyen el cambio de los perfiles de conmutación sobre el terreno según lo requieran las condiciones de la aplicación y/o según se degraden los MOSFET de SiC.

Empaquetas en soluciones de sistemas totales, las soluciones de SiC, están creando un tren de transmisión/potencia para el presente y el futuro que puede liberar espacio para más pasajeros al permitir APUs mucho más pequeñas en metros electrificados, subterráneos y otros vehículos de transporte pesado. Una de las ventajas más apreciadas por los diseñadores es que el uso del control de puerta digital configurable con estos dispositivos elimina el laborioso proceso de soldar resistencias de puerta en una placa para cambiar los parámetros de comportamiento. Todo esto puede hacerse ahora pulsando una tecla, lo que acelera la Electrificación del Todo.

Por Nitesh Satheesh, Tomas Krecek, Perry Schugart, Xuning Zhang y Kevin Speer, Microchip Technology

 

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