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La apuesta por el SiC en la electrificación

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El sector de la automoción avanza hacia un futuro más sostenible, a medida que la industria incorpora cada vez más vehículos híbridos (VEH) y totalmente eléctricos (VE), así como coches que funcionan con pilas de combustible. La electrificación de funciones críticas requiere soluciones fiables para generar, distribuir y controlar sistemas de alta potencia. A medida que aumenta la cantidad de energía eléctrica almacenada y utilizada por el vehículo, también lo hace la necesidad de densidad de potencia y eficiencia.

La supervisión y el control eficaces son esenciales para un funcionamiento eficiente y fiable de los subsistemas eléctricos. Los proveedores de semiconductores como Microchip ofrecen una amplia gama de hardware y software, herramientas de desarrollo integradas y soluciones de alimentación de alta eficiencia basadas en el carburo de silicio (SiC) para facilitar la innovación en los sistemas de VE y VEH.

Los diseñadores de subsistemas de automoción se esfuerzan constantemente por desarrollar soluciones innovadoras que amplíen la autonomía y reduzcan el tiempo de carga de los VE. En la persecución de estos objetivos, han llevado a las tecnologías basadas en silicio cerca de sus límites físicos en términos de tamaño, peso y eficiencia energética y están realizando la transición a soluciones de SiC para hacer frente a estos retos. En comparación con el silicio, los dispositivos de SiC ofrecen menor resistencia a la conexión, mayor velocidad de conmutación y capacidad para soportar mayores tensiones y corrientes a temperaturas de unión más elevadas. Otra ventaja clave del SiC es su menor tamaño, que permite una mayor densidad de potencia, algo fundamental en muchas aplicaciones clave de los vehículos eléctricos. No es de extrañar que el mercado automovilístico de semiconductores de potencia de SiC de banda ancha prohibida (WBG) crezca trece veces su valoración actual de 1.000 millones de dólares hasta 2030, según Omdia (SiC power semiconductors by application, 2022 Mid Case report).
La tendencia hacia tensiones más altas, como 800 V, en los vehículos eléctricos está impulsando nuevos diseños de inversores de tracción, convertidores CC-CC, cargadores de a bordo y compresores para bombas de calor y pilas de combustible. Los MOSFET de SiC de alto voltaje y los diodos de alto rendimiento son idóneos para los vehículos eléctricos, especialmente en aplicaciones comerciales y todoterreno, donde la disponibilidad es clave.
La red existente de infraestructuras de recarga de 400 V para los vehículos convencionales también tendrá que dar cabida a los nuevos diseños de vehículos de 800 V. La creciente necesidad de altos voltajes está impulsando el desarrollo de módulos CC-CC de refuerzo en el coche para unir los raíles de voltaje.
La tecnología de SiC también puede actuar como elemento de conmutación en un disyuntor de estado sólido, o fusible electrónico, para proteger los componentes eléctricos del vehículo y diagnosticar los fallos antes de que se conviertan en una avería grave. El tiempo de inactividad para reparaciones y los costes pueden ahorrarse gracias a las mejores opciones de diagnóstico y configuración en comparación con las soluciones mecánicas.
Al mismo tiempo, existe una demanda de infraestructuras de carga rápida en corriente continua para recargar rápidamente un vehículo. Esto es especialmente importante para las aplicaciones comerciales, desde camiones y autobuses hasta equipos de minería y construcción que tienen que estar funcionando el mayor tiempo posible.

Disyuntores de estado sólido
Utilizar SiC para un disyuntor de estado sólido aporta una serie de ventajas en comparación con las soluciones tradicionales de protección de circuitos. La tecnología puede conmutar rápidamente mediante un perfil de disparo configurable por software, por ejemplo a través de una interfaz LIN, para interrumpir un circuito en microsegundos, entre 100 y 500 veces más rápido que los métodos mecánicos tradicionales gracias a su diseño de estado sólido de alta tensión.
El E-Fuse es rearmable para evitar la necesidad de sustituir los fusibles físicos, lo que proporciona una solución fiable a largo plazo si un circuito se interrumpe con regularidad. Los riesgos potenciales de arcos eléctricos al conmutar corrientes continuas de alto voltaje con contactos mecánicos se eliminan al utilizar una solución E-Fuse de estado sólido.
El demostrador de tecnología E-Fusetechnology de Microchip con interruptores MOSFET mSiC™ de 700 V y 1200 V combina detección de corriente, amplificadores, interfaz LIN y un microcontrolador PIC™ de 8 bits con periféricos independientes del núcleo, para ofrecer una solución completa y altamente integrada. Todos los componentes están disponibles con calificación AEC para automoción. Este diseño implementa una curva característica de tiempo-corriente (TCC) que ayuda a los diseñadores a realizar la transición desde los fusibles o contactores tradicionales y presenta un tiempo de resistencia al cortocircuito de hasta 10 µs con una corriente nominal de hasta 30 A.


Carga rápida
Los vehículos eléctricos, comerciales y todoterreno requieren una capacidad de carga rápida. Mientras que un coche puede pasar la noche en la entrada para cargarse, los autobuses o los equipos de construcción necesitan funcionar eficazmente durante todo el día o la noche. Estos vehículos se están pasando a paquetes de baterías de 800 V o incluso 1.000 V para proporcionar los niveles de potencia necesarios para vehículos más grandes con cargas pesadas.
Estos diseños de cargadores de a bordo necesitan mayores niveles de potencia, donde la tecnología SiC ofrece una solución óptima. Los dispositivos con tensiones nominales de 1200 V e incluso 1700 V ofrecen a los desarrolladores un mayor margen de diseño. Esto puede traducirse en un mayor rendimiento máximo para el vehículo, menos redundancia y una fabricación más sencilla de los elementos.
La mayor eficiencia del SiC en comparación con los IGBT de silicio también significa que se necesitan disipadores más pequeños, lo que reduce el peso del vehículo.
Se dispone de un demostrador tecnológico de un cargador CC-CC aislado de 30 kW, basado en MOSFETs mSiC de 1200V con clasificación de avalancha y diodos mSiC dobles de 1200V. El diseño presenta una eficiencia máxima superior al 98%, una tensión de entrada de 650-750 V y una tensión de salida de 150-600 V a un máximo de 50-60 A a una frecuencia de conmutación de 140 kHz. El diseño de la placa de circuito impreso se ha optimizado en cuanto a seguridad, tensión mecánica y de corriente e inmunidad al ruido.


Figura 2 Convertidor DC-DC SiC de 30 kW


Además, hay disponible un diseño de referencia PFC (corrección del factor de potencia) trifásico de 30 kW en topología Vienna basado en dispositivos SiC. Los PFC suelen ser necesarios para realizar la conversión de CA a CC y mantener el desfase de la corriente de entrada de CA dentro de unos límites bien definidos con respecto a la tensión de entrada de CA, garantizando un factor de potencia cercano a la unidad y una distorsión armónica total (THD) baja.
En el futuro, será necesario devolver a la red la energía de la batería del vehículo. Esta capacidad de carga bidireccional puede demostrarse con otro diseño de PFC basado en SiC de 11 kW en un esquema Totem-Pole.
Tanto la CC-CC como el PFC pueden combinarse modularmente.


Figura 3 Diseño de referencia PFC Vienna de 30 kW

Bloques de construcción para cargadores de infraestructura de hasta 150 kW
El carburo de silicio también es clave para la infraestructura de carga. Las mismas ventajas de tensiones y corrientes más altas, unidas a una mayor eficiencia para elementos de refrigeración más pequeños, conducen a diseños más pequeños de los cargadores. Aunque el tamaño del cargador no es tan crítico para los vehículos comerciales y todoterreno que se almacenan en un depósito durante la noche, sí lo es para los cargadores bidireccionales domésticos de CC, que están ganando popularidad.
Del mismo modo, los cargadores rápidos públicos de CC de nivel 3 evitan el cargador de a bordo (OBC) del vehículo para cargar directamente la batería a través del sistema de gestión de la batería (BMS) del VE. La omisión del OBC permite velocidades de carga mucho mayores, con una potencia de salida del cargador que oscila entre 50 y 350 kW.
El uso de un enfoque de diseño modular significa que se utiliza un front-end PFC para la conversión CA-CC, a menudo a partir de tensiones de CA más altas, como 480 V, con una serie de módulos convertidores CC-CC aislados en paralelo para suministrar la energía al vehículo.
Este enfoque de diseño permite desarrollar una gama de cargadores a partir de los módulos básicos para satisfacer las distintas necesidades de un operador de vehículos. A medida que evolucionan las necesidades de los vehículos, que requieren mayor potencia para una carga más rápida, la infraestructura de carga puede variar utilizando dispositivos SiC. Este enfoque se está utilizando para sistemas de carga rápida de hasta 150 kW y para sistemas de rendimiento aún mayor.
El uso de la gestión digital de la potencia y una combinación de MOSFET de SiC y diodos permite diseños que ofrecen una gran eficiencia e integración del sistema, alta densidad de potencia, bucles de control digital avanzados y mayor flexibilidad, en diversas topologías de potencia para aplicaciones de carga rápida de CC. Pueden combinarse con dispositivos analógicos, de gestión de potencia, conectividad inalámbrica y por cable, medición de energía, memoria, seguridad e interfaz hombre-máquina (HMI) para completar un diseño de carga rápida de CC L3.

Conclusión
Las soluciones de banda ancha prohibida (WBG) como el SiC son fundamentales para la movilidad eléctrica, ya que permiten mayores niveles de eficiencia, densidad y fiabilidad en la conversión de potencia.
Microchip puede ayudar a los diseñadores a adoptar el carburo de silicio con facilidad, rapidez y confianza con sus productos y soluciones de alimentación mSiC™.
Esta gama incluye chips en pastilla, discretos y módulos de SiC de 700 V a 3,3 kV. 


Además, la cartera global incluye MPUs, MCUs, Wi-Fi® /Bluetooth®y chips de medición y la interfaz de usuario de pantalla gráfica táctil para aplicaciones dentro de pilas de carga. En el lado del vehículo se encuentran los controladores de señal digital para automoción, los componentes de red a bordo y los controladores, por mencionar algunos.
La solución integral también incluye paquetes de software para algoritmos mejorados de control de potencia en modo motor y conmutado, así como pilas de software de automoción y bibliotecas de diagnóstico para seguridad funcional.

Autor:  Andreas von Hofen, marketing manager of Microchip Technology’s Automotive Products Group  

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