Los sistemas de automatización complejos requieren cada vez más soluciones y arquitecturas innovadoras que maximicen la eficiencia y aumenten la flexibilidad en múltiples industrias (EV). La automatización moderna incluye una variedad de tecnologías, desde hidráulica hasta neumática, eléctrica y electrónica hasta tecnología de la información.
ON Semiconductor ha anunciado varias tecnologías para soluciones industriales de próxima generación. Las inversiones en empaques avanzados, control de motores y soluciones de GaN/SiC incluyen módulos de alta potencia, enfriamiento de uno o dos lados y paquetes de enfriamiento directo de ambos lados.
La industria del automóvil intensificará sus esfuerzos para implementar las tecnologías más innovadoras en automatización y vehículos eléctricos. A pesar de la promesa de los vehículos eléctricos (EV), las incertidumbres sobre el reabastecimiento de combustible, los costos de energía fluctuantes y los problemas de carga siguen siendo preocupaciones para los usuarios de EV de hoy.
En una entrevista con Power Electronics News, el equipo de estrategia y marketing corporativo de ON Semiconductor, Ali Husain, y el vicepresidente de desarrollo comercial y estrategia automotriz global, Joseph Notaro, destacaron varios aspectos de la automatización y los vehículos eléctricos.
La electrificación de vehículos será una tecnología clave para reducir las emisiones de carbono y reducir la dependencia del petróleo. Hoy en día, esto se puede lograr mediante una serie de tecnologías que incluyen arranque y parada (sistemas de 12 V y 48 V), batería eléctrica (BEV), híbrido eléctrico (HEV), eléctrico híbrido enchufable (PHEV) y vehículos eléctricos de pila de combustible. (FCEV).
automatización
La automatización juega un papel importante en la industria. Confiar en el control optimizado es una práctica establecida. La necesidad de alcanzar mayores niveles de eficiencia es un incentivo para la innovación en el campo de los accionamientos y el control de motores.
La demanda de soluciones de accionamiento de motor está creciendo como resultado tanto de la expansión natural del mercado como de la necesidad de adoptar topologías más eficientes. El consumo de todos los tipos de motores sigue siendo alto, pero los fabricantes de semiconductores están presionando para obtener soluciones integradas optimizadas para el control de motores de CC sin escobillas (BLDC).
“Estamos lanzando una gama de tableros de potencia con varias soluciones de control de motores, incluidos inversores trifásicos de etapa de potencia e interfaces de alimentación auxiliar. Las aplicaciones a las que nos dirigimos son todas las aplicaciones de motores trifásicos, pero también se pueden usar para PFC trifásicos ”, dice Ali Husain.
El tablero de control está diseñado en base al Xilinx Zynq 7000 Soc. “La fortaleza de las placas controladoras universales de Xilinx es su capacidad para abordar aplicaciones de gama alta y topologías de conversión de energía complejas, como convertidores multinivel, PFC trifásico y LLC, y otras topologías complejas que involucran motores, motores de CC sin escobillas de destino. Motores de CA, imanes permanentes, servomotores y otros motores industriales”, dijo Husain.
Añadió: También habrá uno basado en IGBT de alto voltaje y gran capacidad con una capacidad de 8 kW el próximo año. “
La industria de los semiconductores está trabajando para aumentar el nivel de integración para acelerar el proceso de adopción de motores más eficientes y ayudar a los fabricantes a cumplir con los requisitos cada vez más estrictos de las nuevas regulaciones. En la práctica, esto significa integrar el circuito de activación de la compuerta en el mismo paquete que el IGBT y encapsularlo. Esto le permite satisfacer las necesidades de su aplicación mientras cumple con los requisitos legales.
Entre todas las soluciones disponibles, se encuentran los IPM (Intelligent Power Modules). Este es un módulo que proporciona un circuito de accionamiento integrado personalizado para realizar funciones de autoprotección (cortocircuito, suministro de voltaje y sobretemperatura).
“ON Semiconductor ofrece una cartera de módulos IPM (módulo de alimentación inteligente) combinados con el desarrollo de nuevos módulos de alimentación que incluyen topologías CIB (convertidor-inversor-freno) y CI (convertidor-inversor).
Figura 1: Placa de alimentación IPM en miniatura de 1 kilovatio (Fuente: ON Semiconductor)
Figura 2: Diagrama de bloques: placa de alimentación SPM31 de 4 kW (Fuente: ON Semiconductor)
Añadió: Este dispositivo tiene un inversor trifásico con controladores de puerta. Como puede ver, el extremo frontal contiene etapas de corrección del factor de potencia intercaladas, un controlador, una fuente de alimentación auxiliar, una cadena de señal y puede retroalimentar al controlador. En cambio, la Figura 2 muestra un diagrama de un tablero de potencia de 4 kilovatios con un SPM 31. No tiene una etapa PFC, pero puede agregar una. A estos niveles de potencia, la PFC generalmente se realiza en otro lugar, o posiblemente en un punto más central, donde el bus de CC se distribuye a los motores. Incluye todos los demás periféricos necesarios para las aplicaciones de accionamiento por motor. “
Los entornos industriales a menudo pueden ser duros, ya que los módulos de este tipo no siempre están protegidos herméticamente contra el acceso de sustancias potencialmente dañinas. “En este caso, ON Semiconductor ha demostrado su enfoque en la necesidad del mercado al desarrollar un paquete que utiliza Transfer Moulding (TM)”, dijo Husain.
Añadió: Pero, ¿qué se obtiene de un módulo moldeado por transferencia? Bueno, los ciclos de potencia y de temperatura son mayores. Entonces resulta ser mucho más confiable. Está sobremoldeado y sellado herméticamente, lo que mejora en gran medida la resistencia a la corrosión en algunos entornos industriales difíciles. La topología que ofrecemos con el moldeo por transferencia es el clásico convertidor-inversor-freno con algunas variaciones”, dice Husain.
Las térmicas son siempre uno de los mayores desafíos que enfrentan las aplicaciones de accionamiento de motores, especialmente a niveles de alta potencia. El uso de dispositivos de potencia de alta eficiencia o módulos muy compactos y con excelente resistencia térmica es una de las claves para este tipo de aplicaciones.
El empaque del control del motor es muy importante. Deben garantizarse los requisitos de aislamiento y una adecuada disipación del calor. Además de estos dos aspectos, el empaque debe estar completamente integrado a la aplicación, eliminando configuraciones parásitas que pueden dañar el control y permitiendo la automatización del sistema.
Habilitando el futuro de los vehículos de cero emisiones
“Aunque las ventas y la producción de vehículos ligeros a nivel mundial disminuyeron año tras año (hasta fines del tercer trimestre de 2020), ON Semiconductor sigue superando al mercado”, dijo Notaro. Señaló que el último período ha registrado muchos destellos y un fuerte crecimiento en comparación con los trimestres anteriores.
“Como dijo una vez Albert Einstein, en cada dificultad hay una oportunidad. Los automóviles son una de ellas. Es un factor industrial para
El impulso de los diseñadores de vehículos eléctricos e híbridos para mejorar la eficiencia de la conversión de energía se dirige hacia dispositivos con empaques compactos y ensamblajes de módulos electrónicos de potencia térmicamente confiables con pérdidas de conmutación reducidas.
Para obtener la máxima autonomía de la capacidad de la batería, toda la cadena de conversión debe alcanzar la mayor eficiencia posible. Ya se han identificado tecnologías para crear dispositivos de potencia (diodos y MOSFET) con la eficiencia requerida, con carburo de silicio utilizado anteriormente en diodos Schottky y más recientemente MOSFET, elementos de conmutación. Es el corazón de los convertidores e inversores y entra en producción.
“En 2019, enviamos más de 4 mil millones de dispositivos de energía para automóviles a clientes de todo el mundo, incluida una variedad de soluciones de SiC. CC-CC” dijo Notaro.
SiC es adecuado para aplicaciones de alta densidad de potencia y alta eficiencia, como inversores. Hoy en día, las aplicaciones de tren motriz en realidad dominan el mercado de SiC. Uno de los parámetros más importantes para los vehículos eléctricos es el alcance, y el SiC ayuda a ampliarlo.
“El GaN de alto voltaje de 1200 V tiene sus problemas. El SiC, por otro lado, es más robusto y puede satisfacer las demandas del tren motriz, especialmente para los inversores de tracción. El SiC cambia muy rápido a altas densidades de corriente”, dice Notaro.
“Cuando observamos los vehículos eléctricos, hay dos grandes dolores de cabeza para los consumidores, que pueden aumentar la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia, lo que resulta en temperaturas de unión más altas, densidades de corriente más altas, mayor eficiencia y potencia en los inversores de accionamiento principal, batería a bordo. cargadores (OBC) y convertidor DC-DC”, dijo Notaro.
Figura 3: Vehículo eléctrico (Fuente: ON Semiconductor)
Figura 4: SiC para vehículos eléctricos (Fuente: ON Semiconductor)
Un diagrama de bloques OBC bidireccional típico consta de una etapa de corrección del factor de potencia (PFC) de tótem (dos dispositivos idénticos que funcionan en paralelo) seguida de un convertidor CC/CC (tanque resonante LLC). El voltaje de salida se puede filtrar a un voltaje de CC final utilizando un transistor de efecto de campo síncrono (FET) bajo el control de un controlador de puerta aislado.
“Las aplicaciones de energía no siguen la Ley de Moore. Si quieres 400 A, debes actuar en consecuencia”, dijo Notaro.
La epitaxia es un proceso importante. Determina la calidad de su producto. En los diseños que involucran SiC, es muy importante conocer el material de adentro hacia afuera. “La uniformidad del producto es importante para aumentar los rendimientos y reducir los costos. Y ese es uno de los próximos desafíos”, dice Notaro.
La autonomía de un vehículo eléctrico es directamente proporcional a la eficiencia del sistema de propulsión y la gestión energética global. Además, la próxima estación de carga deberá alcanzar cientos de kilovatios de potencia y contribuir a una carga rápida que cumpla con los estándares de emisión de CO2.
“El costo de un vehículo eléctrico depende fundamentalmente de la batería. Es importante tener en cuenta tanto el alcance como el tiempo de carga. El peso de la batería debe equilibrarse entre el tiempo de carga y el impulso de energía. Pasando a las baterías de 800 V, podemos identificar la mayor tendencia con la carga tecnología alcanzando los 10 minutos”, dijo Notaro.
“Con una gran cantidad de vehículos eléctricos, es importante tener una cantidad suficiente de estaciones de carga, así como una red inteligente y ecológica para satisfacer las necesidades energéticas de la movilidad eléctrica”, agregó Notaro.
Los vehículos eléctricos también están aumentando gradualmente en las carreteras. Esto significa menos contaminación, menos partículas y menos ruido. Los vehículos silenciosos son potencialmente peligrosos para peatones, ciclistas, motociclistas y otros usuarios de la vía.
Las nuevas regulaciones existentes y próximas permitirán que todos los vehículos eléctricos estén equipados con AVAS (sistemas audibles de advertencia de vehículos), haciendo un ruido similar al de los motores convencionales en ciertas condiciones de velocidad.