El inversor de carburo de silicio

Los inversores son un componente del sistema de propulsión de los vehículos eléctricos que a menudo se pasa por alto. Su influencia afecta directamente a su eficiencia, que a su vez influye en la autonomía de la batería y el tiempo de carga.

Los semiconductores de potencia de carburo de silicio se han convertido rápidamente en la opción preferida para los inversores de vehículos eléctricos debido a su rendimiento superior al de los dispositivos de silicio tradicionales. En este artículo analizamos cinco ventajas clave asociadas al uso de inversores de carburo de silicio.

1. Alta tensión de ruptura

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor compuesto de silicio y carbono que ofrece una excelente estabilidad térmica y química, con una energía de banda prohibida de 3,2 eV superior a la del silicio. Además, la mayor eficiencia térmica del SiC se traduce en menores pérdidas de potencia y una mayor vida útil.

Los inversores de SiC son dispositivos utilizados para transformar la corriente continua en alterna, lo que los hace útiles en la generación de energía solar y la carga de vehículos eléctricos, entre otras aplicaciones. Su mayor eficiencia en comparación con los inversores convencionales les permite funcionar a tensiones y corrientes más elevadas, al tiempo que ocupan menos espacio y son más ligeros en general que los inversores tradicionales.

El SiC es un innovador material semiconductor de banda prohibida ancha con altas tensiones de ruptura (VBR) y una resistencia de drenaje a fuente RonS ultrabaja, hasta 300-400 veces inferior a la de los dispositivos de silicio con VBR similares. Los MOSFET de SiC pueden fabricarse depositando sílice sobre obleas de silicio, dopando su sustrato y creando MOSFET que presentan finas capas de deriva que garantizan la fiabilidad incluso a temperaturas más elevadas.

La alta capacidad de corriente de puerta es un componente integral de los dispositivos de conmutación de SiC, ya que permite aislar los controladores de puerta y reducir así los costes totales del sistema, mejorar la eficiencia y el rendimiento, eliminar los efectos parásitos en los controladores de puerta y disminuir el coste total del sistema. Los controladores de puerta ROHM son compatibles con todas las generaciones de conmutadores de SiC y funcionan a tensiones más altas que los IGBT, con una corriente de puerta mínima de 3 A; los IGBT normalmente sólo alcanzan una corriente de 1-2%. Además, su mayor frecuencia de conmutación permite diseños de inversores compactos y energéticamente eficientes.

2. Menores pérdidas de conmutación

Los MOSFET de SiC presentan menores pérdidas de conmutación en condiciones de carga parcial que los dispositivos de silicio tradicionales debido a la reducción de las pérdidas de conducción en sus dispositivos, lo que contribuye a disminuir las pérdidas de energía durante los procesos de conmutación y, en última instancia, se traduce en una mayor eficiencia en las etapas de potencia de los inversores de carburo de silicio.

El carburo de silicio tiene una conductividad térmica superior a la del silicio, lo que significa que puede soportar temperaturas más altas sin degradarse, lo que da a los diseñadores más libertad para elegir cuándo y a qué temperaturas utilizar inversores de carburo de silicio; incluso las aplicaciones de alta temperatura, como los inversores de tracción de vehículos eléctricos, podrían beneficiarse.

Los MOSFET de SiC son menos susceptibles a los daños causados por el óxido de la puerta debido a los puntos calientes de los transistores de silicio convencionales, lo que contribuye a prolongar su vida útil y su rendimiento, una consideración importante ya que los inversores de potencia deben proporcionar una potencia de alto rendimiento constante.

La tecnología de carburo de silicio para inversores aún se enfrenta a varios obstáculos, el principal de los cuales es el coste. Los semiconductores de potencia de SiC suelen ser más caros que sus equivalentes de silicio; sin embargo, a medida que aumente la demanda de inversores de carburo de silicio, se espera que los costes de producción disminuyan en consecuencia.

ON Semiconductor colabora estrechamente con fabricantes de vehículos eléctricos (VE) para facilitar su transición a la tecnología de carburo de silicio, incluida la estrecha colaboración con el equipo Mercedes EQ de Fórmula E en inversores de potencia de próxima generación para vehículos eléctricos. Estos inversores mejorarán la autonomía y la aceleración optimizando la eficiencia de la conversión de potencia en las etapas de potencia del motor.

El inversor de potencia incorpora un módulo de puente completo que utiliza la tecnología MOSFET de zanja para automoción CoolSiC, optimizada específicamente para inversores de tracción de alto voltaje y bajo coste para vehículos eléctricos. Cada módulo ofrece la tensión de bloqueo de 1.200 V que requieren los vehículos eléctricos con baterías de gran tamaño, gran autonomía y tiempos de carga rápidos, lo que representa una mejora significativa respecto a los inversores de 600 voltios que se utilizan actualmente en vehículos similares.

3. Alta eficacia

Los inversores convierten la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Se utilizan ampliamente en sistemas de conversión de potencia que van desde los sistemas de energías renovables y vehículos eléctricos hasta la maquinaria industrial. En la última década, la tecnología de los inversores ha experimentado un rápido desarrollo para satisfacer las demandas de mayor densidad de potencia, mayor eficiencia, mayor fiabilidad, reducción del tamaño y peso de los componentes, así como mejoras de rendimiento, como las pérdidas de frecuencia de la tensión de conmutación y la reducción del tamaño de los componentes. Los inversores de SiC ofrecen mejoras de rendimiento significativas con respecto a las pérdidas de frecuencia de tensión de conmutación, así como mejoras de tamaño y peso de componentes reducidos con respecto a los inversores de generaciones anteriores.

Los transistores semiconductores de efecto de campo de carburo de silicio (MOSFET), que pueden funcionar a temperaturas mucho más bajas que sus homólogos IGBT, ofrecen mayores valores nominales de corriente que permiten magnéticos más pequeños y una menor complejidad en el diseño de circuitos, mientras que su construcción más robusta les permite soportar el estrés térmico sin fallar.

Los MOSFET de SiC presentan una estructura de zanja que facilita el aumento de la densidad de celdas y la reducción de la intensidad de campo del óxido de puerta para disminuir la pérdida de conducción, lo que permite una frecuencia de conmutación más baja, mejorando así la eficiencia y disminuyendo el coste del sistema.

La conductividad térmica superior del carburo de silicio también contribuye a reducir la resistencia parásita interna y a estabilizar la estabilidad térmica de los dispositivos, con lo que se reduce significativamente la pérdida de energía en comparación con los dispositivos de silicio, haciéndolos más eficientes energéticamente en condiciones de plena carga.

Jing-Jin Electric ha desarrollado su inversor de batería para vehículos eléctricos de forma independiente utilizando la más moderna tecnología de carburo de silicio semiconductor de banda ancha. Incorpora una función de alimentación auxiliar alimentada por baterías de coche para mantener una tensión baja de 24 V cuando sea necesario.

ROHM ofrece una amplia gama de dispositivos semiconductores para aplicaciones de electrónica de potencia. Sus productos incluyen diodos de carburo de silicio, diodos Schottky y MOSFET de superunión para satisfacer distintos niveles de tensión; cada producto está diseñado para maximizar el rendimiento ofreciendo densidades de corriente máximas en tamaños de encapsulado pequeños con efectos parásitos mínimos, como la inductancia parásita.

4. Alta fiabilidad

Los semiconductores de potencia de SiC mejoran notablemente la fiabilidad de los sistemas de inversores fotovoltaicos. Su uso reduce significativamente la complejidad, el tamaño y el peso del circuito, al tiempo que ofrece una mayor eficiencia, una mayor vida útil en entornos difíciles a tensiones/corrientes más altas, así como un mejor funcionamiento en un rango de temperaturas más amplio, lo que ahorra dinero en costes de equipos de refrigeración.

La amplia banda prohibida del carburo de silicio permite a los transistores funcionar a temperaturas y frecuencias más elevadas, lo que se traduce en menores pérdidas de conmutación que con los IGBT o los transistores bipolares, que tienen bandas de funcionamiento relativamente estrechas y están limitados en el rango de frecuencias. Los diodos de barrera Schottky y los MOSFET fabricados con SiC tienen pérdidas de conmutación significativamente menores a cualquier frecuencia que los IGBT o los transistores bipolares y pueden funcionar en un rango de temperaturas más amplio.

El diseño de un inversor fotovoltaico con componentes de potencia de SiC requiere tener en cuenta muchos parámetros de diseño. A la hora de planificar el diseño de la placa de circuito impreso, también hay que dar prioridad al encaminamiento de la potencia, la reducción del ruido, la refrigeración eficiente y el cumplimiento de los requisitos industriales. Además, hay que tener en cuenta las normas de compatibilidad electromagnética (CEM) y la normativa de automoción. Para garantizar unos resultados óptimos, también es vital realizar pruebas exhaustivas e inspecciones de calidad antes de la producción final.

Los inversores de SiC son la solución ideal para sistemas fotovoltaicos distribuidos y aplicaciones de almacenamiento de energía que requieren una conversión bidireccional de energía CC/CA. Los paneles solares se conectan en cadenas y envían la energía de CC directamente a un único inversor que la convierte en electricidad de CA que puede alimentar hogares o empresas. Un inversor de SiC pequeño y ligero puede instalarse fácilmente y trasladarse de un lugar a otro, además de ser más respetuoso con el medio ambiente que los inversores tradicionales, ya que reduce la huella de carbono y los requisitos energéticos, al tiempo que ahorra costes y tiempo de instalación.

5. Tamaño compacto

Los inversores son componentes clave en los sistemas de los vehículos eléctricos (VE). Convierten la corriente continua de la batería del vehículo en corriente alterna para alimentar su motor. De este modo, los inversores ayudan a reducir el peso y el tamaño del vehículo, al tiempo que mejoran la aceleración, el rendimiento y la autonomía, por no hablar de una refrigeración más eficiente que reduce las emisiones de dióxido de carbono.

Los inversores de carburo de silicio son mucho más pequeños que sus homólogos de silicio debido a la reducción de las pérdidas de conmutación y a la mayor tensión de ruptura de los dispositivos de SiC, lo que da lugar a longitudes de circuito más cortas que, a su vez, reducen el tamaño, el coste y el espacio ocupado por un inversor. Además, su factor de forma compacto permite una integración perfecta en espacios reducidos.

Los módulos de potencia CoolSiC XM3 de Wolfspeed ofrecen varias ventajas claras con respecto a los MOSFET de silicio para inversores de potencia con la misma potencia nominal, como ser 60% más pequeños, con menor volumen total y mejor rendimiento de inductancia de dispersión gracias a su diseño integrado de placa fría refrigerada por líquido de microdeformación.

La tecnología MOSFET de SiC de tercera generación de Wolfspeed se optimiza en estos módulos mediante un diseño avanzado que maximiza su rendimiento, incluida una estructura MOSFET de zanja para una mayor densidad de celdas, una mayor fiabilidad de las celdas del dispositivo y bajas pérdidas de conmutación que permiten un funcionamiento a mayor frecuencia con intensidades de campo de óxido de puerta reducidas.

Esta combinación ha dado lugar a un inversor de alta eficiencia que ofrece mejores prestaciones y fiabilidad que las soluciones tradicionales basadas en silicio. La colaboración técnica de ON Semiconductor con el equipo de Fórmula E de Mercedes-EQ ha sido decisiva para desarrollar su inversor de tracción con dispositivos XM3 y aumentar la autonomía de su tren motriz eléctrico. La colaboración de ON Semiconductor también ha permitido avanzar en el sistema de conversión de potencia y aumentar el rendimiento del coche de carreras.