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Mejorando la eficiencia de los trenes híbridos y totalmente eléctricos con SiC

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¿Lograrán los trenes híbridos lo que los coches híbridos no pudieron en términos de eficiencia y aceptación? Mientras que los vehículos eléctricos (VE) de consumo se lanzaron directamente al enchufe, estamos viendo señales contradictorias en el mercado del transporte público y, como proveedores de componentes, tendremos que estar preparados para servir a ambos mercados.

Recientemente, el carburo de silicio (SiC) ha experimentado una mayor adopción en el transporte público, en fuentes de alimentación auxiliares, cargadores de baterías y propulsión, cada uno de los cuales requiere una optimización de la refrigeración, una mayor eficiencia y factores de forma más pequeños. Algo en común es la creciente necesidad de dispositivos y ecosistemas de banda ancha prohibida para aplicaciones de alta tensión.

¿Por qué banda ancha?
Este artículo se centra en las tecnologías que facilitan la electrificación sostenible del transporte ayudando a los diseñadores de sistemas a adoptar el SiC con facilidad, rapidez y confianza.
La pandemia ha dejado al descubierto las políticas energéticas de las distintas naciones: algunos países dependen en gran medida de la energía nuclear, mientras que otros están invirtiendo en energías renovables, como la solar y la eólica, o en fuentes no renovables.
Sea cual sea la fuente, conviene utilizar la energía de forma sostenible. El año pasado, los fabricantes de equipos originales mostraron una solución libre de emisiones con trenes de pilas de combustible, mientras que otros han hecho sus pinitos con un sistema híbrido.
Desde el punto de vista de la electrónica de potencia, la elección de un sistema totalmente eléctrico o híbrido determinará la tensión de ruptura del semiconductor de potencia. Microchip ofrece una robusta gama de semiconductores de potencia de 700V a 3300V en SiC, junto con controladores de puerta optimizados para extraer el máximo rendimiento de estos dispositivos.

Centrados en la eficiencia
Para cualquier sistema, la eficiencia se define como potencia de salida/potencia de entrada; la diferencia entre ambas se pierde en forma de calor. En un semiconductor de potencia, hay dos factores que contribuyen a las pérdidas: la conducción y la conmutación.
Los semiconductores de potencia de corriente se denominan transistores bipolares de puerta aislada de silicio (IGBT), que tienen un mayor componente de pérdidas por conmutación. Mientras que el MOSFET de SiC puede encenderse y apagarse más rápidamente, lo que se traduce en una drástica reducción de las pérdidas por conmutación.
Figura 1 Comparación de diferentes técnicas de control de puerta

Pero, ¿es esto lo máximo que se puede extraer del SiC? Parece que no. Con técnicas digitales de control de puerta, como la conmutación aumentada, se pueden reducir aún más las pérdidas.

Mejora del rendimiento con SiC y conmutación aumentada
Se ha realizado un estudio comparativo en el que se probó un módulo de potencia de SiC en un encapsulado estándar industrial (62 mm). Sólo se modificaron los controladores de puerta, manteniéndose los demás parámetros. Uno de los controladores de puerta utilizaba la tecnología de conmutación aumentada, mientras que el otro era un controlador analógico convencional que utilizaba resistencias de puerta para controlar dv/dt y di/dt. El análisis se presenta con una función de costes desarrollada por la Universidad de Arkansas [2].

El análisis del frente de Pareto se presenta utilizando la siguiente ecuación para la barra de color.

factor de ponderación α=0,5, β=0,5; α +β =1, donde α es la pérdida de conmutación y β es el sobreimpulso (overshoot) de corriente Id en el caso de encendido o el sobreimpulso (overshoot) de tensión Vds en el caso de apagado.
Cuanto menor sea la función de coste, mejor será el rendimiento global del dispositivo SiC.

Augmented Steps settings for the best performance
Paso de encendido (Turn -On): 0,5V 40ns
Paso de apagado 1 (Turn-off): 3,5V 240ns
Paso de apagado 2 (Turn-off): 1,5V 240ns

La línea roja de los dos gráficos representa la línea de base que se puede conseguir utilizando un enfoque analógico y modificando sólo las resistencias de puerta. Es posible que haya otros valores de resistencias de puerta que definan mejor la curva, pero a partir de nuestro análisis de la revisión de 10 valores, creemos que una extrapolación como la presentada aquí es precisa.

Resultados del encendido (Turn-On)

El siguiente gráfico representa la sobreimpulso (overshoot) de corriente en amperios frente a la pérdida de conmutación de encendido en mili julios.
El mejor rendimiento se consigue con el ajuste de conmutación aumentada de 0,5V 40ns y Rg(on) de 0,5Ω con una reducción del 8% en el sobreimpulso de corriente y una reducción del 25% en Eon, en comparación con el uso de un controlador analógico con Rg(on) de 1,1Ω. 1,1Ω.

Un mayor sobreimpulso de corriente suele dar lugar a una mayor proporción de zumbido y di/dt que podría acoplarse con otras áreas del sistema.

Resultados del apagado (Turn-Off)
Los resultados para el apagado son interesantes en el sentido de que los resultados del uso de la conmutación aumentada están más cerca de los obtenidos mediante el uso de un controlador analógico simple con resistencias de puerta. En un sistema en el que la tensión nominal de funcionamiento del enlace de CC era de 750 V y la máxima de 800 V, se utiliza un dispositivo semiconductor de 1200 V, lo que deja un margen de sobreimpulso de tensión de 400 V. Cuando se aplican estas restricciones, queda claro que el uso de la conmutación aumentada proporciona unos resultados notablemente mejores. El mejor trade-off se consigue con el uso de la configuración de conmutación aumentada de 3V 240ns, 1,5V 240ns y Rg(off) de 1,1Ω, lo que da como resultado una reducción del 10% en el sobreimpulso de Vds y una reducción del 14% en Eoff en comparación con el uso de un controlador analógico con un Rg(off) de 4,7ohm.

 

Figura 4 Comparación de la desconexión utilizando un excitador analógico con control Rg frente a un excitador de puerta digital con conmutación aumentada.

 


Reducción del zumbido
Los gráficos anteriores muestran las pérdidas de conmutación en función del sobreimpulso de corriente o tensión y ofrecen un resumen de lo que se puede conseguir ajustando los controladores de puerta. Una ventaja adicional de la conmutación aumentada es la reducción de los anillos en Vds y Vgs. Esto puede lograrse controlando la pendiente de conmutación en el encendido y el apagado. El método y los beneficios se explorarán en profundidad en otro artículo.

Control de dv/dt en sistemas de propulsion
En las aplicaciones que requieren dispositivos de banda ancha prohibida para accionar motores, un parámetro crítico es dv/dt durante la conmutación. Un dv/dt elevado puede dañar los bobinados del motor, por lo que es importante limitarlo.
Con un controlador de puerta analógico, esto se consigue aumentando la Rg(on), con la contrapartida de un aumento de las pérdidas de conmutación.
Parece haber una fuerte correlación entre la inductancia del encapsulado de SiC y los resultados de este análisis comparativo, que está en curso.


Resumen
El uso de MOSFETs de SiC da lugar a enormes mejoras en la eficiencia, como se muestra en la figura 1. Se puede mejorar aún más la eficiencia utilizando conmutación aumentada.
En nuestro caso de estudio, bajo las mismas condiciones de funcionamiento, se demostró que con el uso de la conmutación aumentada, se pueden reducir las pérdidas totales de conmutación en un 12% más que en comparación con un controlador analógico.

Figura 5 IGBT vs SiC vs SiC con conmutación aumentada

 

AUTOR: Nitesh Satheesh - Ingeniero Técnico y Vipin Gaonkar - Ingeniero Senior, Microchip Technology India Pvt Ltd

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