El carburo de silicio (SiC) es una tecnología revolucionaria que reemplazará al silicio (Si) en muchas aplicaciones. La idea de usar SiC en vehículos eléctricos (EV) surgió en un esfuerzo por aumentar la eficiencia y el alcance al mismo tiempo que se reducía el peso y el costo total del vehículo y se aumentaba la densidad de potencia de la electrónica de control.
La electrónica de potencia para vehículos eléctricos se puede mejorar de manera efectiva con soluciones de SiC que cumplan con los parámetros de diseño y contribuyan de manera esencial al rendimiento del sistema y la confiabilidad a largo plazo.
Los dispositivos de SiC ofrecen muchas propiedades atractivas en comparación con el silicio de uso común y, por lo tanto, se utilizan cada vez más en convertidores de potencia de alto voltaje con altos requisitos en cuanto a tamaño, peso y eficiencia. La resistencia en estado activo y las pérdidas por conmutación son significativamente menores, y el SiC ofrece aproximadamente tres veces la conductividad térmica del silicio, lo que permite una disipación de calor más rápida de los componentes. Esto es importante porque a medida que los dispositivos basados en Si se vuelven más pequeños en área, se vuelve más difícil extraer el calor generado por el proceso de conversión eléctrica y el SiC disipa mejor el calor.
Muchos OEM han anunciado miles de millones en inversiones en vehículos eléctricos, lo que también es sólido debido a los límites de CO2 emisiones Se tomarán medidas significativas en los próximos años para aumentar la proporción de vehículos eléctricos en las carreteras.
Esto requiere mejorar factores como la asequibilidad, la regulación y el avance tecnológico. Se estima que los vehículos eléctricos tienen una eficiencia del 60 % en la conversión de la energía de la batería a través de motores eléctricos. Sin duda, esto ya es un logro significativo en comparación con los motores de combustión interna convencionales.
Sin embargo, las ganancias adicionales de eficiencia ocupan un lugar destacado en la lista de prioridades de los técnicos. Esto se debe a que se traduce directamente en baterías más pequeñas y de mayor alcance, lo que reduce los costos. Hay dos factores que impiden que la mayoría de los vehículos eléctricos compitan con los automóviles convencionales.
Una de las características distintivas de estos automóviles es la cantidad de sistemas de alto voltaje instalados. Las baterías de alto voltaje varían de 400 a 800 V y existen muchos otros sistemas eléctricos que alimentan esta batería de diferentes maneras. Estos sistemas incluyen un cargador a bordo (OBC), un convertidor CC/CC que actúa como puente a auxiliares de 12 V, un inversor de tracción y el propio sistema de gestión de batería (BMS).
Coche eléctrico
Un EV es un vehículo completamente eléctrico que requiere al menos tres unidades electrónicas para la conversión de energía. Un inversor de tracción CC/CA que impulsa los motores eléctricos (generalmente trifásicos) que accionan las ruedas. El convertidor AC/DC recarga la batería del vehículo tanto durante la recuperación de energía durante el frenado como en estaciones de carga estándar residenciales o de alta potencia (para carga rápida).
Para obtener la máxima autonomía de la capacidad de la batería, toda la cadena de conversión debe alcanzar la mayor eficiencia posible. Tecnologías para realizar dispositivos de potencia — diodo y MOSFET: una vez que se identificó la eficiencia requerida, llamada SiC, se usó durante algún tiempo para fabricar diodos Schottky, pero más recientemente, los MOSFET, los elementos de conmutación en el corazón de los convertidores e inversores, han entrado en producción. volumen.
El inversor de tracción es más importante ya que alimenta los motores y determina cuánto tiempo puede funcionar el vehículo antes de que necesite recargarse. Además, OBC recarga la batería. Cuanta más energía pueda poner en la batería, más rápido se cargará.
“Usando nuestra tecnología de carburo de silicio de primera generación, nuestros vehículos eléctricos basados en 800 V ofrecen un aumento del 7 % en el alcance en comparación con nuestros mejores IGBT de silicio de su clase en Infineon”. alrededor del 10% “. Sin embargo, Muenzer dijo que SiC será significativamente más costoso, principalmente debido a sus costosas materias primas, por lo que SiC y silicio serán el futuro. Predecimos que coexistirán en el campo EV.
“La resistencia del carburo de silicio se nota especialmente cuando el automóvil funciona con carga parcial”, dice Muenzer. “Por ejemplo, considere un automóvil con un motor eléctrico por eje. Uno se usa para maniobras de crucero promedio. Si se trata de un automóvil con una potencia máxima de 200 kW, entonces está claro que la utilización promedio del primer inversor es de aproximadamente 20 kW y con carga parcial, el carburo de silicio podría tener sentido aquí, porque la eficiencia mejorada permite el uso de baterías más pequeñas, por lo que el costo más bajo de la batería puede compensar el costo más alto de carburo de silicio del inversor. menos ventajoso, aquí los OEM probablemente elegirán una solución de silicio rentable”.
Piezas de alta potencia para EV (Fuente: Infineon)
Diagrama de bloques del cargador integrado (Fuente: Infineon)
Batería y OBC
Las baterías son una función fundamentalmente importante de un EV, y garantizar una gestión eficiente de la carga es un factor fundamental para el correcto funcionamiento del EV.
Las baterías deben tener densidades de almacenamiento de energía muy altas, corrientes de autopérdida cercanas a cero y la capacidad de cargarse en minutos en lugar de horas. Un sistema de administración de baterías generalmente incluye cinco grupos de circuitos principales: OBC, BMS, convertidor CC/CC e inversor principal.
El bloque de alimentación del cargador de batería consta de un extremo frontal de CA/CC seguido de un convertidor de CC/CC para suministrar voltaje de carga a la batería. La sección de CA/CC convierte la energía de la red eléctrica en un voltaje de CC útil, evitando fluctuaciones de ondulación. Los convertidores de CC/CC proporcionan el voltaje de carga de CC requerido al vehículo al tiempo que brindan aislamiento eléctrico del chasis del vehículo por razones de seguridad.
La entrada a cada bloque es un voltaje trifásico de CA seguido de un filtro y una etapa LLC de CC/CC.Los niveles de potencia van desde 80 kW a 150 kW, con múltiples bloques de 15-20 kW capaces de cargar baterías de vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) y vehículos eléctricos de batería (BEV). Este tipo de aplicación requiere dispositivos altamente eficientes y densos en energía, que permitan la miniaturización de la estación.
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.
Reemplazar los diseños basados en Si que usan IGBT o MOSFET en bloques de CA/CC del cargador con dispositivos de SiC simplifica el diseño del circuito y mejora significativamente la densidad y la eficiencia de la energía, lo que reduce el número de componentes y la complejidad del sistema, así como el tamaño, el peso y el costo. Los bloques de SiC también pueden proporcionar la interactividad necesaria para que las baterías de los automóviles formen parte de la red inteligente.
Los beneficios obtenidos de las soluciones basadas en SiC son sencillos. Esto significa bajas pérdidas (pequeño tamaño), alta frecuencia (pequeños componentes pasivos) y alta eficiencia (enfriamiento más fácil y más pequeño).
Infineon ofrece un par de módulos de potencia que se pueden usar en combinación con soluciones de carga EV de 50/60 kW. El Easy 1B (F4-23MR12W1M1_B11) integra una topología de cuatro componentes para la etapa de carga CC/CC. estación. El Easy 2B (F3L15MR12W2M1_B69) es una configuración de 3 etapas que coincide con el rectificador Wien común en la etapa PFC de esta aplicación.
Los módulos utilizan diodos Infineon CoolSiC, dispositivos robustos y eficientes diseñados para cumplir con los requisitos de uso de HEV y EV. Los diodos CoolSiC, una mejora con respecto a los diodos Schottky de última generación de Infineon, ofrecen una alta relación de mérito y una mínima pérdida de energía. El excelente rendimiento de conmutación de los diodos SiC los hace ideales para la ruta libre de la etapa PFC.
Ventajas del SiC en Automoción (Fuente: Infineon)
OBC es un sistema integrado de un vehículo para cargar la batería de alto voltaje desde la red de CA mientras el vehículo está estacionado. La tendencia hacia la carga rápida también impacta en el rango de potencia requerido en las topologías OBC, con nuevos diseños que tienden a alcanzar los 11 kW o hasta los 22 kW. Este desarrollo, combinado con la demanda de densidad de potencia con alta eficiencia y bajo costo del sistema, fomenta fuertemente el uso de soluciones trifásicas. Hoy en día, el flujo de energía unidireccional de la red eléctrica a las baterías es común, pero también hay usos bidireccionales, como baterías para cargar y baterías a la red eléctrica.
“OBC es otro buen ejemplo de cómo coexistirán Si y SiC en el futuro”, dijo Muenzer. “En la etapa de CC/CC del sistema OBC de 400 V, los MOSFET de superunión basados en Si, como CoolMOS de Infineon, pueden admitir las frecuencias de conmutación requeridas. Brindan un rendimiento suficiente a un costo competitivo. Recientemente, hemos combinado IGBT de conmutación rápida y diodos de SiC en el mismo (EcoPack) Si los OEM elevan los objetivos de eficiencia o aumentan los niveles de voltaje, SiC MOSFET será el dispositivo preferido para OBC”.
Después de adquirir Siltectra, Infineon ha estado trabajando para implementar la tecnología de división en frío de SiC de la nueva empresa en los procesos industriales. La división en frío permite un procesamiento eficiente del material de cuarzo y minimiza la pérdida de material.
Al comentar sobre el concepto del dispositivo, Muenzer dijo: Esto se debe a que los diseños de trincheras pueden mejorar el rendimiento y la solidez del dispositivo. Por otro lado, requiere un conocimiento avanzado del proceso, pero con más de 25 años de experiencia en tecnología de zanjas, decidimos ir por ese camino con carburo de silicio desde el principio. ”
En la tecnología plana, el flujo de corriente tiene que cambiar de dirección y se necesita espacio para evitar aglomeraciones. La clave es la longitud del canal lateral. De lo contrario, en la tecnología de zanjas, el flujo de corriente es directamente vertical y el factor crítico es la longitud del canal vertical. La tecnología de trincheras ofrece densidades de defectos bajas, lo que lleva a una resistencia de canal baja, archivando una resistencia de encendido baja en campos de óxido por debajo de 3 MV/cm.
Paquete de SiC plano frente a trinchera (Fuente: Infineon)
En comparación con los dispositivos tradicionales basados en Si, SiC ofrece ventajas esenciales para aplicaciones automotrices. Mayor densidad de potencia, mayor eficiencia del sistema, mayor alcance, menor costo del sistema y confiabilidad a largo plazo. SiC ya está en los autos, pero apenas estamos comenzando.
La autonomía de un vehículo eléctrico refleja directamente la eficiencia de su tren motriz y sistema de gestión de energía. Además, la infraestructura necesaria, como los potentes sistemas de carga rápida que actualmente alcanzan cientos de kilovatios de potencia, también deben cumplir con límites de tamaño y eficiencia estrictamente definidos. Sus propiedades físicas específicas hacen del SiC una valiosa respuesta a estas nuevas demandas del mercado.