Tome el camino más corto hacia el desarrollo de inversores de tracción para vehículos eléctricos

Los gobiernos en todo el mundo quieren poner fin a las ventas de coches de gasolina y diésel en los próximos años, algunos a partir de 2030. En este sentido, la firma analista de mercados Statista prevé que la facturación del mercado de vehículos eléctricos experimente un impresionante crecimiento medio interanual del 17,02% en los cuatro próximos años, dando como resultado un volumen del mercado de 858.000 millones de dólares en 2027.

Ante tales previsiones, no solo las compañías de automoción sino también varios sectores del transporte se apresuran a introducir sus mayores cambios operativos en décadas, una actividad que presenta una serie de desafíos para el diseño del sistema de propulsión eléctrica. Para la mayoría de los ingenieros de automoción, las tecnologías del sistema de propulsión eléctrica representan una novedad que exige unos recursos considerables y tiempo para crear soluciones seguras y eficientes. Es aquí donde al carburo de silicio (SiC) puede ofrecer grandes ventajas.

El elefante en la habitación para la tecnología de los vehículos eléctricos es, desde luego, la preocupación por la autonomía. Si bien gran parte de la atención en este sentido se ha centrado en la capacidad de la batería, tanto el sistema de propulsión como la electrónica del sistema del automóvil también deben ser muy eficientes y capaces de ofrecer un rendimiento óptimo con un consumo ajustado bajo condiciones exigentes. Por eso el SiC está ganando protagonismo, tal como reconocen diversas autoridades de primer nivel. El Advanced Propulsion Centre del Reino Unido, por ejemplo, afirma que el cambio del silicio al carburo de silicio en la electrónica de potencia podría ofrecer un incremento aproximado de la eficiencia del 10%.

Los atributos del SiC también permiten a los diseñadores crear sistemas de potencia con reducciones considerables del tamaño, el peso y el factor de forma. Pese a todas las ventajas, los ingenieros deben tener en cuenta que diseñar con SiC es distinto a usar MOSFET o IGBT convencionales de silicio. La mayoría de las diferencias están relacionadas con el uso de tecnologías especiales que facilitan el funcionamiento seguro con una conmutación a alta velocidad.

Para reducir el coste de los recursos de ingeniería y acortar el plazo de comercialización se necesitan soluciones totalmente integradas. La plataforma de desarrollo de inversores de tracción de SiC de CISSOID cubre esta demanda, en concreto para diseñar sistemas de accionamiento de hasta 850V/350kW. Entre los principales componentes de este diseño de referencia se encuentran: un módulo inteligente de potencia (IPM) trifásico de 1200V con un potente driver de puerta que resiste altas temperaturas y está totalmente optimizado para la aplicación de SiC; una tarjeta de control del motor eléctrico y software personalizable; sensores de corriente CC y de fase, un refrigerador líquido compacto; un condensador de enlace CC de alta densidad especialmente diseñado y filtrado de EMI.

Figura 1. Diseño de referencia del inversor SiC de alta tensión de CISSOID.

Cada uno de estos bloques funcionales desempeña un papel vital para proporcionar los altos niveles de capacidad y modularidad de la plataforma.

El IPM MOSFET SiC de 1200V trifásico refrigerado por líquido de CISSOID (Figura 2) ofrece todas las ventajas de la tecnología SiC, ayudando así a los desarrolladores a alcanzar una elevada densidad de potencia gracias a las bajas pérdidas de conmutación y al funcionamiento a alta temperatura. Al añadir modularidad a los requisitos cambiantes de tensión/corriente, el catálogo de IPM de SiC de CISSOID está formado por módulos que admiten una corriente máxima de 340A a 550A. El IPM, que está constituido por tres medios puentes MOSFET de carburo de silicio, reduce las pérdidas de conmutación en un factor tres como mínimo si se compara con los módulos de potencia IGBT más avanzados.

Figura 2. Módulo inteligente de potencia (IPM) trifásico de 1200V 340A-550A de CISSOID.

Para aprovechar al máximo los MOSFET SiC de conmutación rápida y bajas pérdidas, los ingenieros necesitan un driver de puerta que sea rápido, potente y robusto. La integración de un driver de puerta y un módulo de potencia ofrece acceso directo a una solución totalmente validada y optimizada por lo que respecta a la velocidad de conmutación y las pérdidas, la robustez frente a dI/dt y dV/dt, y la protección de las etapas de potencia.

El driver de puerta optimizado de CISSOID ofrece picos de corriente superiores a 10A, así como la capacidad de funcionar a una temperatura ambiente de hasta 125°C. Por tanto, el driver de puerta optimizado contribuye a minimizar el número de iteraciones necesarias para que el rendimiento y la gestión térmica del módulo sean perfectas.

La capacidad de los módulos de potencia de SiC de conmutar a mayor velocidad y de funcionar a frecuencias más altas hace que sea primordial acceder a la tecnología del controlador que pueda ejecutar algoritmos en tiempo real con más rapidez.

Basándose en la FPCU OLEA^® T222 de Silicon Mobility, CISSOID ha desarrollado una tarjeta que ofrece procesamiento en tiempo real, control y seguridad funcional (ISO 26262 ASIL-D ready) para aplicaciones de control de motores en automoción. El hardware y el software de control procesan de modo efectivo las señales de los sensores de posición, corriente y temperatura del motor. Es de destacar que la integración mecánica y eléctrica entre la tarjeta de control y los IPM elimina otro obstáculo del camino al desarrollador.

La plataforma integra el software de control OLEA APP INVERTER de Silicon Mobility (Figura 3); además los ingenieros pueden utilizar las herramientas de diseño OLEA COMPOSER para acortar el tiempo requerido para desarrollar y optimizar el software de control del motor.

Figura 3. Software de control OLEA APP INVERTER de Silicon Mobility.

Hay otros dos puntos destacables acerca del diseño. En primer lugar, CISSOID ofrece un diseño de referencia de refrigerador impreso en 3D para la refrigeración y la evaluación rápida del módulo de potencia (Figura 4). En segundo lugar, la compañía ha colaborado con NAC Semi y Advanced Conversion para crear un condensador de enlace CC de alta densidad con una inductancia y una ESR muy bajas que ofrece a los desarrolladores una total libertad para aprovechar la capacidad de conmutación rápida de los MOSFET SiC.

Figura 4. Plataforma del inversor de SiC de CISSOID, incluidos el IPM de SiC, la tarjeta de control, el refrigerador líquido compacto y el condensador de enlace CC de baja ESL.

Por último, la exclusiva plataforma modular de hardware y software de CISSOID permite desarrollar inversores de tracción o rectificadores activos basados en SiC muy compactos, eficientes y de máxima seguridad en pocos meses. Respecto a los plazos que suelen manejar los fabricantes, esto puede acortar entre uno y dos años el plazo de desarrollo del inversor SiC.