La tecnología de las baterías de carburo de silicio aumenta la autonomía de los vehículos eléctricos

Los semiconductores de potencia de carburo de silicio contribuyen a aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos mejorando componentes clave como el inversor de tracción, el convertidor CC/CC y el cargador de a bordo.

Los dispositivos de SiC presentan una tensión de ruptura más alta y una menor resistencia a la conexión, lo que les permite funcionar a velocidades de conmutación más rápidas para mejorar la eficiencia de conversión de energía y mejorar el rendimiento de las baterías de los vehículos eléctricos, al tiempo que reducen los costes operativos durante el ciclo de vida del vehículo. Esto se traduce en un mayor rendimiento de la batería al tiempo que se reducen los gastos operativos a lo largo del tiempo.

Electrónica de potencia

El carburo de silicio (SiC) está revolucionando la electrónica de potencia al ofrecer un rendimiento superior en aplicaciones clave. Las eficientes capacidades de procesamiento de electricidad del SiC lo hacen ideal para aplicaciones de control de baterías que amplían la autonomía de conducción de los vehículos eléctricos y permiten velocidades de carga más rápidas, como el control de baterías.

Los dispositivos de SiC pueden ayudar a los vehículos eléctricos a satisfacer esta creciente necesidad optimizando los procesos de conversión y distribución de potencia para lograr la máxima autonomía, con menores pérdidas por conmutación y conducción que las alternativas basadas en silicio.

Los dispositivos de SiC funcionan a temperaturas más elevadas que sus homólogos de silicio, lo que les permite trabajar a frecuencias mucho más altas y, por tanto, permitir un diseño de circuito más pequeño, ligero y compacto, ahorrando costes gracias a unos diseños más sencillos y fiables y a una menor necesidad de refrigeración.

La alta tensión de ruptura del SiC le permite soportar las corrientes y tensiones mucho más elevadas que se utilizan en las aplicaciones de alimentación de los vehículos eléctricos (VE), lo que significa que se pueden fabricar dispositivos menos costosos, más delgados y más compactos para aplicaciones que van desde el inversor de tracción hasta el cargador de a bordo.

Estos componentes electrónicos de potencia son esenciales para ayudar a los vehículos eléctricos a recorrer distancias más largas entre cargas, aliviando así la ansiedad por la autonomía y acelerando la transición a la movilidad ecológica. El SiC tiene unas características de rendimiento únicas, como mayor eficiencia y densidad de potencia, costes más bajos y mayor fiabilidad, que podrían revolucionar este sector.

Yole Developpement prevé que el silicio seguirá dominando el multimillonario mercado de los semiconductores; sin embargo, Yole anticipa que el SiC y otros materiales de banda ancha (WBG), como el nitruro de galio, crecerán sustancialmente en la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos en un futuro próximo. El rendimiento superior y la competitividad de costes del SiC lo convierten en el candidato ideal para impulsar la innovación en este sector.

Mientras que los semiconductores de silicio comerciales suelen soportar temperaturas de hasta 175 grados Celsius sin degradarse, el SiC puede tolerar temperaturas mucho más elevadas sin perder sus propiedades eléctricas, lo que ofrece a los diseñadores mayores opciones a la hora de optimizar los procesos de conversión de energía y la eficiencia de las baterías. El SiC también ayuda a prolongar la vida útil de las baterías y a acelerar los tiempos de carga.

Automoción

Los fabricantes de equipos originales de automoción que desean adoptar tecnologías de vehículos eléctricos (VE) deben buscar constantemente tecnologías de conversión de potencia más eficientes y eficaces. Los semiconductores de carburo de silicio, como el SiC, tienen muchas ventajas que pronto les permitirán sustituir a los dispositivos convencionales de silicio en muchas áreas del automóvil, sobre todo en los componentes de conversión de potencia.

Los chips de SiC son capaces de soportar temperaturas más elevadas, tensiones más altas y velocidades de conmutación más rápidas que los dispositivos de silicio (Si), al tiempo que reducen significativamente las pérdidas de energía; de hecho, el desperdicio de calor es hasta un 50% menor. Esto permite a los fabricantes de automóviles fabricar convertidores de potencia más pequeños y ligeros que permiten a los vehículos llegar más lejos con una sola carga o recargarse más rápido, lo que proporciona a los fabricantes de automóviles opciones para fabricar convertidores de potencia más pequeños y ligeros para que los vehículos circulen más tiempo o se carguen más rápido.

Uno de ellos es el inversor de tracción utilizado en los vehículos eléctricos para alimentar su motor. Este componente crítico depende de seis transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de silicio con diodos de modulación de anchura de impulsos que accionan motores modulados por anchura de impulsos; la sustitución de los IGBT por MOSFET de SiC ha demostrado su eficacia para reducir el tamaño y el peso del inversor en un 10% y mejorar la eficiencia de la batería en un 50%.

Los fabricantes de automóviles están tomando nota y cada vez son más los que utilizan dispositivos de SiC en sus convertidores de potencia, sobre todo en los inversores de tracción (que alimentan los motores), para aprovechar estas ventajas. Un inversor de tracción es un componente clave en un vehículo eléctrico, ya que determina la distancia y la rapidez con que un coche puede viajar con una sola carga y recarga.

Los inversores de tracción requieren una conversión de potencia muy eficiente a tensiones más altas que la mayoría de los componentes, por lo que necesitan elementos de conmutación con alta densidad de corriente y rendimiento térmico, como el SiC. Otros materiales semiconductores ofrecen conductividades inferiores a las del Si, como el silicio (Si).

Los fabricantes de SiC buscan cada vez más alianzas con los fabricantes de automóviles. En algunos casos, estas asociaciones adoptan la forma de acuerdos tradicionales de suministro, mientras que en otros podrían implicar colaboraciones estratégicas o de I+D. Por lo tanto, los fabricantes de SiC actuales y futuros deben entablar pronto relaciones con los fabricantes de equipos originales para asegurarse futuras oportunidades de negocio, lo que les permitirá adquirir la competencia técnica y la garantía de suministro necesarias para las plataformas de diseño de automóviles.

Energías renovables

Los semiconductores de carburo de silicio (SiC) se han convertido en un componente importante de la electrónica de potencia que convierte, controla y distribuye la electricidad. Aunque el silicio ha sido tradicionalmente el material preferido para estos componentes, el SiC ofrece un mejor rendimiento a temperaturas más altas, mayores voltajes y velocidades de conmutación más rápidas que su predecesor basado en silicio, creando sistemas de potencia compactos más eficientes y adecuados para aplicaciones de energías renovables.

Entre ellos figuran las etapas de potencia utilizadas para gestionar la electricidad de media tensión que fluye desde los paneles solares y las turbinas eólicas a la red, donde los dispositivos de carburo de silicio podrían ayudar a reducir las pérdidas hasta 50%, lo que permitiría cumplir las nuevas normas de eficiencia sin aumentar el tamaño ni los costes del sistema.

También se ha demostrado que los ánodos de carburo de silicio ofrecen una larga estabilidad cíclica con una alta capacidad y una seguridad superior, y su capacidad para limitar la expansión de volumen durante los ciclos es un elemento crítico de la longevidad y fiabilidad de las baterías, ayudando a minimizar las pérdidas de capacidad, así como las tasas de fallos tempranos de las celdas.

Las baterías de silicio-carbono dejan menos huella y tienen un menor impacto ambiental que las de iones de litio, que son no renovables y muy contaminantes. Como resultado, la tecnología de silicio-carbono ha atraído una inversión considerable, como el anuncio de Honor de incorporar una en su último smartphone insignia.

El SiC también está revolucionando la alimentación de los vehículos eléctricos. Los chips de SiC se están integrando en la electrónica de potencia de los controladores de los motores de tracción y los cargadores de a bordo para ofrecer una gestión más eficiente de la energía, lo que permite aumentar la autonomía, uno de los principales obstáculos para una mayor adopción de los VE y aliviar la ansiedad de los consumidores por la autonomía.

El SiC puede acelerar drásticamente la velocidad de carga de las baterías hasta 50%, lo que ayuda a reducir los tiempos de carga y ampliar la autonomía de los vehículos eléctricos. Además, el uso de SiC en componentes electrónicos de potencia clave, como inversores y módulos de potencia, ayuda a reducir considerablemente el peso y el tamaño, contribuyendo aún más a una mayor eficiencia y autonomía.

ON Semiconductor ha aumentado la producción de chips de SiC para satisfacer la creciente demanda en aplicaciones de electrónica de potencia. Ya colaboran con grandes fabricantes de automóviles como Tesla para añadirlos a los inversores de tracción de su Model 3 para mejorar la autonomía.

Almacenamiento de energía

El carburo de silicio (SiC) está revolucionando la forma de convertir, controlar y distribuir la electricidad. Con una tensión de ruptura más alta, velocidades de conmutación más rápidas y menor resistencia a la conexión que sus predecesores de silicio (Si), el SiC ofrece soluciones de electrónica de potencia más eficientes, más compactas y de menor tamaño que nunca. Los dispositivos de SiC han encontrado una amplia aplicación en los sistemas de almacenamiento de energía, como los sistemas de carga de vehículos eléctricos o las soluciones de almacenamiento de energía solar, en los que el almacenamiento de energía en baterías requiere una alta eficiencia y densidad de potencia con una mayor fiabilidad a costes más bajos. Los dispositivos de SiC pueden satisfacer estas demandas con una fiabilidad superior, al tiempo que ofrecen una mayor densidad de potencia a niveles de eficiencia/densidad/coste del sistema más altos que nunca.

Los semiconductores de SiC se están convirtiendo en una pieza clave de los inversores de potencia de los vehículos eléctricos (VE) que controlan los motores de tracción y los cargadores de a bordo, aumentando la autonomía en comparación con los motores de los coches convencionales y reduciendo el tiempo de carga, lo que ayuda a combatir la ansiedad de autonomía de los consumidores al tiempo que acelera la transición a la movilidad eléctrica.

La tecnología de SiC en la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos también permite reducir el tamaño y el peso, lo que se traduce en vehículos más eficientes en el consumo de combustible, con menos emisiones de carbono y costes asociados a su conversión y distribución. El SiC también es capaz de mejorar la eficiencia mediante la mejora de los procesos de conversión y distribución reduciendo las emisiones de carbono, así como los costes mediante la mejora de los procesos de conversión y las redes de distribución.

A medida que la sociedad abandona los combustibles fósiles en favor de las energías renovables, los sistemas de almacenamiento en baterías deben ser cada vez más eficientes para almacenar la energía generada por el viento o los paneles solares. Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de SiC ofrecen mayor capacidad de corriente/tensión, mayor densidad de potencia y velocidades de conmutación más rápidas que sus homólogos de silicio para una transmisión/distribución fiable y eficiente de energías alternativas a la red y los consumidores.

Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y MOSFET basados en carburo de silicio (SiC) ofrecen un mayor rendimiento que la tecnología tradicional de silicio, con conmutación más rápida, temperaturas más bajas, mayor capacidad de corriente y menos pérdidas. Esto se traduce en una mayor fiabilidad y eficiencia cuando se aplican en soluciones de alimentación eléctrica como cargadores de a bordo, convertidores CC/CC para equipos industriales, inversores solares de red, soldadoras o sistemas de alimentación ininterrumpida.

Se prevé que los semiconductores de SiC experimenten una rápida adopción en diversos segmentos de mercado y áreas de aplicación, como los vehículos eléctricos (VE), los paneles de energía solar, las instalaciones industriales y los sistemas de almacenamiento de energía en baterías. El SiC se utiliza actualmente en inversores de tracción, convertidores CC-CC y cargadores de a bordo de vehículos eléctricos para aumentar la autonomía y reducir el peso, el espacio y los costes, así como para mejorar la eficiencia de los vehículos acortando los tiempos de carga de las baterías.