Los vehículos eléctricos con sistemas de baterías de 400 V se introdujeron hace más de una década y ahora estamos viendo cómo el sector migra hacia sistemas de 800 V, principalmente para soportar la carga rápida de CC. Con el aumento de la tensión y las lecciones aprendidas de los sistemas de 400 V, los diseñadores se centran ahora en mejorar el rendimiento de los circuitos de protección de alta tensión junto con la mejora de la fiabilidad.

La solución tradicional de fusible, contactor o relé se está reevaluando en favor de soluciones de reacción más rápida, más robustas y fiables, como el pirofusible y el fusible electrónico o E-Fuse. Una solución puntera es el E-Fuse basado en la tecnología de carburo de silicio (SiC). El SiC ofrece una alta tensión de funcionamiento, alta temperatura de funcionamiento, baja resistencia en estado activado, baja corriente de fuga en estado desactivado y durabilidad frente a transitorios de sobretensión. El diseño de estado sólido del E-Fuse elimina los problemas de fiabilidad relacionados con la formación de arcos, el desgaste mecánico, el rebote de los contactos y las soldaduras por puntos. Ya no es necesario el hardware del economizador para accionar las bobinas del contactor. E-Fuse mejora el rendimiento del sistema gracias a su capacidad de configuración, encendido y apagado controlados, diagnóstico integrado y resistencia a transitorios de alta tensión.

El diseño reseteable elimina la necesidad de mantenimiento
Con un diseño totalmente basado en SiC, E-Fuse tiene un tiempo de respuesta incomparable a los cortocircuitos, reaccionando varios cientos de veces más rápido que incluso un pirofusible. Esto convierte a E-Fuse en un complemento natural de una solución de protección basada en pirofusibles. Aunque un pirofusible ofrece una protección de circuito robusta y fiable, no es rearmable. Es un dispositivo de un solo uso, como el pirofusible de un airbag.
Un pirofusible se utiliza como medida de seguridad para desactivar el sistema en situaciones graves. Una vez detonado, es necesario sustituirlo. Sustituir un componente en un sistema de alta tensión no es tan fácil como en un sistema de 12V. Con tensiones del sistema de 400 V u 800 V, muy por encima del límite de 60 V que la industria de la automoción considera generalmente como seguro, las reparaciones sólo pueden ser realizadas con seguridad por técnicos de servicio cualificados. Afortunadamente, con un perfil de disparo configurable, un E-Fuse como solución complementaria a nivel de sistema puede ser más sensible a las sobrecorrientes que un pirofusible, asegurando que se dispare primero, evitando la activación del pirofusible. Una ventaja del fusible electrónico respecto a las soluciones actuales es que se puede restablecer, lo que ahorra al propietario del vehículo eléctrico el tiempo, los gastos y los quebraderos de cabeza asociados a llevar el vehículo al servicio técnico.

Sólida protección de circuitos de CC
La protección de circuitos en sistemas de CC de alto voltaje plantea un reto único. A diferencia de los sistemas de CA, en los que el paso por cero ayuda a extinguir un arco, los sistemas de CC no tienen este paso por cero. Para evitarlo, los relés y contactores VE de alta tensión incluyen sofisticadas funciones adicionales para extinguir los arcos eléctricos de forma segura. Sin embargo, los arcos siguen erosionando los contactos y provocando problemas de fiabilidad, como una alta resistencia de los contactos o soldaduras por puntos.
Por otro lado, el E-Fuse desconecta de forma segura los circuitos de CC sin generar un arco. El mismo tipo de energía inductiva responsable del arco en una solución basada en relés está presente en un circuito protegido por un E-Fuse, por lo que una solución E-Fuse tendrá que absorber esa energía al interrumpir una corriente.
La principal diferencia es que un E-Fuse tiene un tiempo de respuesta rápido, reduciendo la corriente de pico a órdenes de magnitud inferiores a los de una solución tradicional. Como la energía inductiva es proporcional al cuadrado de la corriente, una disminución de la corriente de cortocircuito de pico se traduce en una disminución significativa de la energía de paso. También supone una menor tensión en el cableado y una posible carga de fallo aguas abajo.

Demostrador de fusible electrónico con perfil de disparo configurable
El demostrador de tecnología E-Fuse auxiliar de Microchip que se muestra en la figura 1 está disponible para los diseñadores que desarrollen E-Fuse de alto voltaje para automoción o relés de estado sólido. Las seis variantes de hardware proporcionan opciones de 400 V y 800 V y valores nominales de corriente de 10 A, 20 A y 30 A, permiten la evaluación de MOSFET de SiC simples o en paralelo de valores nominales de RDS(on), de 15 mΩ a 40 mΩ.

Figura 1 - Demostrador de tecnología E-Fuse auxiliar de Microchip

Los circuitos de control y protección del E-Fuse se alimentan mediante el sistema de 12 V. Equipado con una interfaz de comunicación LIN, admite las opciones de conectarse directamente a la batería de 12 V, mientras se despierta del modo de reposo a través de la actividad LIN, o desde la salida de la batería conmutada de un módulo de control.
El E-Fuse incluye tres métodos de detección de sobrecorriente que abarcan desde una ligera sobrecorriente hasta una corriente de cortocircuito muy alta, como se ilustra en la curva característica de tiempo-corriente (TCC) de la figura 2. La curva TCC define el comportamiento tipo fusible del E-Fuse, con un tiempo de respuesta lento a sobrecorrientes bajas y una respuesta rápida a sobrecorrientes altas.

Puede ajustarse fácilmente para proteger el cableado y las cargas. Los tres métodos de detección son fácilmente configurables mediante software o a través de la interfaz LIN. El método de detección situado más a la izquierda, en azul, caracteriza el comportamiento de disparo mediante un algoritmo de estimación de la temperatura de la unión. El algoritmo utiliza la medición de corriente, la medición de temperatura ambiente, el RDS(on), del MOSFET de SiC y las características de diseño térmico para estimar la temperatura de unión del MOSFET de SiC.
El tiempo de respuesta varía con la magnitud de la sobrecorriente. El segmento de línea central representa el método de detección que utiliza únicamente la medición de corriente con un tiempo de respuesta fijo. El segmento de línea situado más a la derecha representa un método de detección basado en hardware, aunque configurable por software. Este método aprovecha los periféricos independientes del núcleo (CIP) del MCU PIC®, concretamente un comparador, una referencia de tensión fija, un convertidor digital-analógico y celdas lógicas configurables que se configuran como bloqueos (latches) SR. Esto permite una rápida propagación de la señal por debajo de unos cientos de nanosegundos, lo que permite la detección inmediata de un cortocircuito y la protección del sistema de alta tensión.

Figura 2- Curva característica tiempo-corriente para una variante de fusible E de 400 V y 20 A

Además del comportamiento similar al de un fusible, un E-Fuse puede adoptar la función de un relé electromecánico. Al igual que la bobina de un relé y sus contactos de alta tensión están aislados galvánicamente, un fusible E de alta tensión también incluye una barrera de aislamiento entre las señales de control y los terminales de alta tensión. Al igual que un relé, un fusible E tiene la flexibilidad de conectarse en el sistema como una salida de alta tensión que alimenta la batería de alta tensión positiva a una carga, o como una salida de baja tensión que proporciona una ruta para la carga al retorno negativo de la batería de alta tensión, como se ilustra en la figura 3.

Figura 3 - Configuraciones a nivel de sistema del E-Fuse

Rendimiento en cortocircuitos de alta tensión
Para apreciar realmente la diferencia en el tiempo de respuesta de un E-Fuse en comparación con un fusible de alto voltaje de automoción convencional, cada uno se sometió a un cortocircuito en condiciones de prueba similares de 450 V y aproximadamente 3 µH de inductancia de línea. En la figura 4 se muestran las formas de onda resultantes. La forma de onda negra corresponde a la corriente que circula por el fusible de alta tensión sometido a prueba. En 30 µs, la corriente alcanza los 3800 A, que es el límite del equipo de medición, y funde el fusible de alta tensión 50 µs después. Según los parámetros de la prueba, se estima que la corriente de pico ha superado los 6000 A. Sin embargo, con un fusible E, como se muestra en la forma de onda azul, la corriente alcanza sólo 128 A antes de dispararse. Se trata de una reducción significativa de la corriente de paso, que minimiza la tensión en el cableado y las cargas aguas abajo.
Ofrece a los diseñadores de sistemas la opción de optimizar el cableado en cuanto a peso y coste. En algunos casos, la baja corriente de paso del E-Fuse será la diferencia entre una condición de remolque, en la que un fallo que causa una gran tensión de corriente provoca daños permanentes en el hardware, y un fallo recuperable que permite que el sistema se restablezca automáticamente y que el conductor siga conduciendo el vehículo.

Figura 4 - Formas de onda de corriente para el E-Fuse frente al fusible de alta tensión

Más allá del propio vehículo eléctrico, la infraestructura de soporte, como las estaciones de carga rápida de CC o las microrredes que abastecen a las estaciones de carga, también pueden beneficiarse de los E-Fuse. Las ventajas que ofrece un E-Fuse no se limitan a las aplicaciones de automoción.
Las aplicaciones que utilizan fusibles y contactores se benefician de algunos de los temas tratados, así como de otras ventajas, como la detección de corriente a bordo, que permite una mayor integración y optimización a nivel de sistema. Las aplicaciones no embarcadas utilizan una configuración de MOSFET SiC antiserie de fuente común y pueden requerir una capacidad de corriente superior a la que ofrece el demostrador. Afortunadamente, el diseño es fácilmente escalable y puede adaptarse para su uso con módulos de potencia SiC disponibles en configuración de fuente común.
Dado que cada vez se presta más atención al rendimiento, la seguridad y la fiabilidad, los E-Fuse como solución de protección de circuitos seguirán creciendo como método preferido, al igual que hemos visto el cambio en el sistema de 12 V de los fusibles y relés a los controladores de estado sólido protegidos y, más recientemente, a los E-Fuse de bajo voltaje.

AUTOR: Por Ehab Tarmoom, Technical Application Engineer de la unidad de negocio de carburo de silicio de Microchip Technology 
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