Centrarse en la miniaturización
Autor: Edgar Schäfer, Ingeniero de Aplicaciones de Campo en la Unidad de Negocio de Automoción (ABU) de Rutronik
El diseño del circuito de un cargador compacto con conexión trifásica a la red, que se caracteriza por una alta densidad de potencia y eficiencia, ayuda a los desarrolladores a implementar nuevos diseños.
Una conexión trifásica a la red eléctrica para los cargadores de a bordo ofrece ventajas notables, como una carga más rápida, una mayor eficiencia y una menor carga de corriente por fase. Sin embargo, también conlleva retos técnicos y de infraestructura adicionales, como la complejidad, los costes, la gestión del calor, la compatibilidad con la red y los requisitos normativos. El desarrollo de este tipo de sistemas requiere una planificación y unas opciones de diseño cuidadosas para lograr las ventajas mencionadas y, al mismo tiempo, superar los retos, sobre todo ahora que los cargadores a bordo (OBC) cobran cada vez más importancia.
Por este motivo, la Unidad de Negocio de Automoción (ABU) de Rutronik, junto con sus socios Vishay y Bosch Automotive Electronics, ha desarrollado un diseño de referencia para un cargador de a bordo con una conexión de red trifásica para 400 V y una carga conectada de 11 kW como parte de la iniciativa «Diseños de referencia para aplicaciones de automoción».
Se hace especial hincapié en la miniaturización durante la fase de desarrollo cercana a la serie. En cuanto a su circuitería, el OBC consta de un rectificador Vienna con corrección del factor de potencia, rectificación y un convertidor DC/DC descendente. El concepto cobra vida con componentes de alto rendimiento de última generación y la tecnología más avanzada de carburo de silicio (SiC). Los componentes discretos de alto rendimiento y la tecnología de encapsulado para los módulos de potencia son suministrados por Vishay. Los MOSFET (transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico) de carburo de silicio no empaquetados proceden de Bosch AE. El resultado es un cargador compacto con alta densidad de potencia y eficiencia. El rectificador con corrección del factor de potencia es adecuado para un amplio rango de tensión de entrada. Su aplicación también facilita el cumplimiento de los requisitos de retroalimentación del circuito, como la compatibilidad electromagnética y los kVAh reactivos.
El convertidor DC/DC está diseñado como un convertidor resonante aislado galvánicamente con una tensión secundaria de 500 V y frecuencias de conmutación de entre 150 kHz y 250 kHz. Los componentes clave son los transformadores de impulsos y los condensadores resonantes. Las pérdidas de ambos componentes tienen un impacto significativo en la eficiencia global del convertidor.
Los nuevos componentes permiten la miniaturización
El diseño utiliza los nuevos MOSFET SiC de la serie 750 V de Bosch AE. Vishay integra las matrices de carburo de silicio en sus módulos de potencia EMIPAK 2B (fig. 1). Los SiC-MOSFET presentan bajas resistencias de conexión y permiten altas frecuencias de conmutación. Al mismo tiempo, presentan bajas pérdidas de conmutación. La alta frecuencia de funcionamiento permite utilizar inductancias y capacitancias más pequeñas. Esto permite utilizar reactancias más pequeñas, transformadores de impulsos más pequeños y condensadores más pequeños, que son esenciales para el filtro de red o el circuito resonante. Por lo tanto, los MOSFET contribuyen significativamente a reducir las dimensiones totales necesarias.
Los módulos de potencia del encapsulado EMIPAK 2B favorecen aún más la miniaturización. Ofrecen una alta densidad de potencia y son robustos y probados en campo. Sus contactos a presión garantizan una conexión segura y duradera a la placa de circuito impreso. Además, pueden incorporarse de forma sencilla y rentable al proceso de fabricación del producto final.
La integración de los semiconductores de potencia en un paquete garantiza un espacio reducido con una excelente disipación del calor. La placa base EMIPAK 2B puede conectarse sin esfuerzo a un disipador de calor refrigerado por agua en el vehículo, por ejemplo.
Tras la conversión DC/DC, un rectificador asíncrono formado por diodos SiC rectifica la tensión. Infineon es otro socio y proporciona el microcontrolador y los controladores de puerta.
Nuevos desarrollos en un corto espacio de tiempo
La unidad de negocio de automoción de Rutronik, junto con sus socios, está entusiasmada con un diseño de circuito que despierta nuevas ideas y facilita la transferencia de conocimientos. El proceso de desarrollo del cliente se ve favorecido y acelerado por la completa documentación y asistencia de Rutronik. Esto incluye diagramas de circuito y listas de materiales (BOM) gratuitos. Además, el cliente puede personalizar el diseño para adaptarlo a sus necesidades. Esto permite a los desarrolladores crear productos a medida para diversas aplicaciones.
Acerca de la unidad de negocio de automoción de Rutronik
La Unidad de Negocio de Automoción (ABU) está adaptada específicamente a la industria automovilística, asociándose con proveedores de primer nivel del sector del automóvil especialmente seleccionados. El equipo de la ABU se ve a sí mismo como un consultor e intermediario, centrado en comprender los retos de los clientes y ofrecer información a medida y recomendaciones de expertos.
La Unidad de Negocio de Automoción celebra este año su décimo aniversario y celebrará su primera Convención de Automoción Rutronik en EE UU en octubre de 2024.
Figura 1. Ventajas de los MOSFET de potencia de carburo de silicio en un encapsulado EMIPAK 2B: Equipado con patillas PressFit para facilitar la instalación, el sustrato expuesto mejora el rendimiento térmico, mientras que la disposición optimizada ayuda a reducir los parámetros de dispersión para un mejor rendimiento EMI (fuente: Vishay)
