Autor: Dr.-Ing. Matthias Ortmann, Chief Engineer, Toshiba Electronics Europe GmbH
Introducción
A medida que se desvanece la era del motor de combustión interna como principal fuente de energía del vehículo, la industria automovilística se decanta por el motor eléctrico como alternativa. A su vez, los OEM de automoción buscan en la industria de semiconductores las innovaciones electrónicas necesarias para ofrecer este futuro electrificado. Los vehículos eléctricos de batería (VEB) son actualmente el enfoque preferido, y todos buscan liderar los conocimientos necesarios para hacerlos lo más atractivos posible. Aunque muchos se entusiasman con los artilugios y características del interior del coche, la autonomía y la carga siguen siendo las principales preocupaciones de los consumidores.
Las tecnologías de banda ancha prohibida (WBG), como el carburo de silicio (SiC), se benefician de este cambio de fuente de alimentación en automoción y ofrecen ventajas sustanciales sobre los dispositivos de alimentación tradicionales, como los IGBT, en los que hemos confiado anteriormente. Los fabricantes de componentes pasivos también están trabajando duro. La innovación en inductores ayuda a garantizar las ventajas del WBG como topología de conmutación más rápida para ofrecer más autonomía y una tecnología de carga más rápida y fiable.
Todo ello está respaldado por una demanda tangible. Se espera que los ingresos procedentes de los vehículos eléctricos (VE) superen los 620.000 millones de dólares en 2024 y crezcan a un ritmo del 10% anual[1], lo que supondrá la incorporación de más de 13 millones de VEB a nuestras carreteras a finales de la década. Con el lanzamiento de nuevas generaciones de MOSFET de SiC y la introducción periódica de pasivos mejorados, la mayoría de los ingenieros se preguntan cómo evaluar de forma eficaz y eficiente las ventajas que ofrecen.
Elementos comunes en los bloques convertidores de potencia para VE
Un área de interés es la carga de vehículos eléctricos. Tanto los VEB como los híbridos enchufables (PHEV) disponen de un cargador de a bordo (OBC) que actualmente admite rangos de potencia de 3,6 kW a 22 kW. Pueden alimentarse con corriente alterna a través de un poste de carga o una estación de carga en domicilio, en la carretera o en un aparcamiento. Para los vehículos estacionados en casa o en el trabajo, es un método ideal para recargar mientras el vehículo está en reposo. Cuando se trata de viajes más largos, la recarga rápida en ruta la proporcionan los cargadores de CC. Con una potencia de 40 a 300 kW o incluso más, estos cargadores sustituyen al OBC para proporcionar una carga del 80% en unos 20 a 60 minutos.
En ambos casos, la estructura básica del cargador es la misma. La CA se introduce en una unidad de corrección del factor de potencia (PFC) seguida de un convertidor CC/CC que alimenta el circuito de carga de la batería del vehículo (Figura 1).
Figura 1: Bloques básicos de un sistema de carga de vehículos eléctricos.
La eficiencia energética es vital para minimizar la disipación de calor y ahorrar energía, mientras que el espacio disponible y los objetivos de peso del diseño presionan sobre los requisitos de densidad de potencia. Además, los vehículos eléctricos se consideran una fuente de energía potencial para equilibrar las perturbaciones de la red eléctrica (vehículo a red, V2G) o incluso para suministrar energía a los hogares en situaciones de emergencia (vehículo a hogar, V2H). Esto significa que los cargadores necesitan topologías bidireccionales, lo que nos lleva hacia PFC de tipo tótem y convertidores CC/CC de doble puente activo (DAB) y LLC. Todas estas topologías hacen uso de una pata/parte de puente y, si observamos el inversor del motor de un VE, este elemento electrónico también aparece en él.
Figura 2: Una pata de puente es un elemento común de los diseños de PFC, CC/CC e inversores.
Enfoque modular para explorar los diseños basados en SiC
Ninguna de las topologías comentadas es sencilla de diseñar, ya que durante las pruebas entran en juego tensiones y corrientes elevadas. Sin embargo, los elementos de circuito repetidos dentro de estas topologías ofrecen la oportunidad de utilizar la modularidad como medio para evaluar rápidamente diferentes enfoques. Por ejemplo, los inductores de entrada, las patas del puente simple y el condensador de salida pueden aislarse dentro del circuito de un PFC. La medición de la tensión y la corriente de entrada y salida, junto con el control de los MOSFET de SiC, pueden asignarse entonces a un cuarto elemento que realice el control del sistema. Para ello, lo ideal es un microcontrolador dedicado a aplicaciones de convertidores de potencia digitales (Figura 3).
Figura 3: El PFC puede dividirse en un inductor de entrada, un condensador de salida, un puente y un bloque de control. Muchos bloques también se utilizan en convertidores CC/CC e inversores de motor.
Este es el enfoque utilizado para desarrollar el concepto de diseño de referencia del cargador modular para VE (Figura 4). El diseño se divide en siete placas de circuito impreso (PCB). En su núcleo se encuentran las placas de conmutación con cuatro MOSFET de SiC en un diseño de punto neutro de tres niveles (NPC). Esto permite compartir la carga térmica y las tensiones de tensión a través de los conmutadores y reduce la ondulación de voltios-segundo en los inductores. Dos diodos de barrera Schottky (SBD) de SiC, cuatro controladores de puerta y un dispositivo lógico programable complejo (CPLD) para generar la conmutación precisa y las cuatro señales de control necesarias completan el diseño.
Los MOSFET de SiC incluyen un diodo de barrera Schottky (SBD) integrado en el chip con una tensión directa de tan sólo 1,35 V. Este SBD integrado es fundamental para limitar el riesgo de que se produzcan interferencias. Este SBD integrado es clave para limitar los cambios de resistencia de encendido a lo largo de la vida operativa. RDS(ON) × Qgd (carga de drenaje de puerta) también es un 80% inferior a la de los dispositivos de SiC de segunda generación, mientras que la mayor capacidad VGSS de -10V a +25V simplifica el diseño del circuito controlador de puerta.
Como en cualquier convertidor de potencia, se requiere un control óptimo de los interruptores durante la vida útil de la aplicación. Para ello se utiliza un controlador de puerta TLP5214 aislado ópticamente que proporciona una salida de ±4,0 A para una conmutación rápida, que se combina con los MOSFET SiC de tercera generación de Toshiba. El controlador también cuenta con una pinza Miller activa integrada para evitar el encendido parasitario activado por dV/dt.
Aprovechamiento de las características para un diseño PFC cúbico compacto
Para lograr un diseño de cubo compacto a los niveles de potencia exigidos, las interconexiones se implementan en las rutas de alta corriente utilizando carriles de cobre y los espaciadores metálicos mecánicos que mantienen unidas las placas. Esto conlleva un aumento de las inductancias parásitas de la implementación, lo que limita las velocidades de conmutación que pueden utilizarse, pero mantiene la sencillez de la tecnología PCB.
Figura 4: Detalles de las interconexiones mecánicas conductoras de corriente y los carriles de cobre en el diseño SiC Cube PFC.
Las placas de inductores y condensadores (Figura 5) incorporan los mismos circuitos de medida de corriente y tensión. La corriente se mide con sensores Hall, mientras que la tensión se mide diferencialmente con un amplificador operacional aislado TLP7820. En su entrada, éstos utilizan un convertidor sigma-delta analógico-digital (ADC) para accionar un LED. La señal óptica resultante alimenta un amplificador que se convierte a través de un convertidor digital-analógico (DAC) de 1 bit y un filtro de paso bajo. Este enfoque ofrece una alta precisión de ganancia (±0,5%), una pequeña deriva de ganancia (0,00012V/°C) y una baja no linealidad (0,02% para VIN = ±200mV). El TLP7820 está reconocido por UL/cUL y aprobado por VDE/CQC.
Figura 5: Tanto la placa de condensadores como la de inductores presentan los mismos circuitos de medida de corriente y tensión.
La placa controladora, que incluye un microcontrolador TXZ+ Arm® Cortex®-M4F, atraviesa las patas de puente, condensador e inductor. Lo que la hace especialmente adecuada para el control digital de potencia son sus avanzados módulos de modulación por ancho de pulsos (PWM) que incluyen una salida complementaria trifásica con control de tiempo muerto. Además, puede sincronizarse por hardware con las mediciones analógicas realizadas por los ADC de 12 bits integrados en el chip. También dispone de tres amplificadores operacionales de ganancia seleccionable. El microcontrolador también incorpora un bloque de motor vectorial que puede descargar y acelerar cálculos complejos como seno y cos, pero también transformaciones de Clarke y Park, algo beneficioso también para aplicaciones PFC e inversores de motor.
Alta densidad de potencia con capacidad de reutilización
Aprovechando la última tecnología SiC MOSFET, este diseño compacto de PFC en forma de cubo tiene como objetivo suministrar 22 kW con un factor de potencia de 0,99 y una eficiencia de hasta el 99%. Con unas dimensiones de 140 × 140 × 210 mm, esto se traduce en una densidad de potencia de 3 kW/dm3. Gracias a su modularidad, el MOSFET SiC de pata de puente, el condensador, el inductor y las placas de microcontrolador pueden probarse fácilmente en otras aplicaciones de convertidores de potencia. Para los equipos de desarrollo noveles en la tecnología WBG, también permite explorar la robustez, la menor RDS(ON) a lo largo de la temperatura de funcionamiento y las mayores capacidades de frecuencia de conmutación de los MOSFET de SiC, que siguen siendo, para muchos, una tecnología nueva.
