Todo el sector del transporte está experimentando una transformación radical: los vehículos con motor de combustión interna (ICE) van dejando paso gradualmente a coches eléctricos e híbridos menos contaminantes y a soluciones más limpias para el transporte de masas (trenes, aviones y barcos). Se necesitan soluciones capaces de maximizar la eficiencia y reducir el impacto ambiental para contener las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y mitigar el calentamiento global.
Los semiconductores de banda prohibida presentan varias propiedades que los hacen atractivos para aplicaciones de transporte. Su uso puede dar lugar a vehículos más eficientes, rápidos y ligeros, con mayor autonomía y menor impacto ambiental.
Propiedades de los materiales WBG
Los materiales de banda prohibida ancha están transformando rápidamente el sector de la electrónica de potencia debido a sus ventajas sobre el silicio (Si) utilizado habitualmente. Mientras que el silicio tiene una banda prohibida de 1.1 electronvoltios (eV), los materiales WBG tienen una banda prohibida de 2 a 4 eV. Además, el campo eléctrico de ruptura de la mayoría de los semiconductores WBG es sustancialmente superior al del silicio. Esto significa que pueden funcionar a temperaturas y voltajes significativamente más altos, proporcionando mayores niveles de potencia y menores pérdidas. En la Tabla 1 se enumeran las principales propiedades del carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), los dos materiales más populares de los WBG, en comparación con el silicio.
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Tabla 1: Comparación de las propiedades del Si, el SiC y el GaN.
Las principales ventajas de los dispositivos de potencia de SiC, en comparación con sus homólogos basados en silicio, son las siguientes:
- Bajas pérdidas de conmutación: Los MOSFET de SiC son dispositivos unipolares que presentan pérdidas de conmutación de conexión y desconexión muy bajas. Esta propiedad permite frecuencias de conmutación más altas con menores pérdidas, lo que permite reducir los componentes pasivos y magnéticos.
- Bajas pérdidas de conducción: debido a la ausencia de unión bipolar, los dispositivos de SiC también pueden reducir las pérdidas durante el funcionamiento con carga ligera o parcial.
- Altas temperaturas de funcionamiento: el carburo de silicio ofrece propiedades térmicas superiores a las del silicio. El Sistema en chip (SiC) presenta bajas corrientes de fuga en un amplio rango de temperaturas, lo que permite su funcionamiento por encima de los 200 °C. La refrigeración simplificada y la excelente gestión térmica son consecuencia de esta propiedad
- Diodo de cuerpo intrínseco: gracias a esta característica, los MOSFET de SiC pueden funcionar en modo diodo en el tercer cuadrante proporcionando un excelente rendimiento en aplicaciones de potencia.
La combinación de las propiedades anteriores permite obtener dispositivos de SiC con mayor densidad de potencia, eficiencia, frecuencias operativas y menor huella.
Las principales ventajas de los dispositivos de potencia de GaN, en comparación con sus homólogos de Si y SiC, son las siguientes:
- Los dispositivos de GaN pueden funcionar en el tercer cuadrante sin carga de recuperación inversa aunque no tengan un diodo de cuerpo intrínseco. Por lo tanto, no es necesario un diodo antiparalelo.
- Baja carga de puerta QG y resistencia en estado encendido RDS(ON), que se traducen en menores pérdidas de accionamiento y velocidades de interruptor más rápidas.
- Recuperación inversa cero, con lo que se reducen las pérdidas por conmutación y el ruido EMI (interferencia electromagnética)
- Alto dv/dt: El GaN puede conmutar a frecuencias muy altas y tiene un encendido 4 veces más rápido y un apagado 2 veces más rápido que los MOSFET de SiC con un RDS(ON) similar.
Aplicaciones de los dispositivos WBG
Como se destaca en la Figura 1, hay aplicaciones en las que el SiC y el GaN ofrecen el mejor rendimiento y otras en las que sus características se solapan con las del silicio. A menudo, los dispositivos de GaN son la mejor opción para aplicaciones de alta frecuencia, mientras que los de SiC tienen un gran potencial a voltajes elevados.
Figura 1: Aplicaciones potenciales de los dispositivos de Si, SiC y GaN. (Fuente: Infineon)
Vehículos eléctricos e híbridos
Los H/EV utilizan varios sistemas electrónicos de potencia para transformar la energía de la red o del motor en una forma adecuada para alimentar el motor y los dispositivos auxiliares. La mayoría de los H/EV también utilizan el frenado regenerativo, en el que las ruedas hacen girar el generador para cargar la batería.
El inversor de tracción es un componente crucial en estos vehículos, ya que convierte la alta tensión CC de las baterías en CA para alimentar el motor trifásico (véase la figura 2). Debido a la elevada potencia implicada, en esta aplicación se prefieren los dispositivos de SiC, con una potencia de 650 V o 1.2 kV, dependiendo de la topología del inversor. SiC ayuda a reducir las pérdidas, el tamaño y el peso, lo que permite soluciones con factores de forma pequeños.
Figura 2: Componentes principales de un H/EV. (Fuente: ROHM Semiconductor)
El cargador de a bordo (OBC) se conecta a la red y convierte la CA en CC para cargar la batería. La potencia de salida de los OBC suele oscilar entre 3.3 kW y 22 kW y depende de dispositivos de alimentación de alta tensión (600 V o más). Aunque tanto el SiC como el GaN son adecuados para esta aplicación, las características del GaN, como la alta frecuencia de conmutación, las bajas pérdidas por conducción y el peso y tamaño reducidos, lo convierten en la solución ideal para implementar OBC.
Otra aplicación del WBG en los H/EV es el convertidor de CC/CC de baja tensión (BT), responsable de reducir la tensión de la batería (200 V en los HEV, por encima de 400 V en los EV) a la tensión de CC de 12 V/48 V necesaria para alimentar los sistemas auxiliares. Con una potencia típica inferior a 1 kW, el convertidor de BT puede alcanzar frecuencias más altas utilizando dispositivos de GaN y SiC.
La Tabla 2 resume cómo el Si, el SiC y el GaN cumplen los requisitos de las aplicaciones H/EV mencionadas anteriormente.
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Tabla 2: Aplicaciones de WBG en H/EVs y comparación de rendimiento con Si.
Transporte ferroviario
Los trenes eléctricos toman la energía de la red a través de una catenaria o un tercer carril, convirtiéndola en una forma adecuada para los motores y los sistemas auxiliares. Si el tren funciona con una línea de CA, un transformador y un rectificador deben reducir y acondicionar el voltaje a CC. A continuación, la tensión CC se divide y se suministra a través de inversores para satisfacer las necesidades de los sistemas auxiliares y de tracción.
El inversor de tracción transforma la CC en CA para alimentar los motores y reacondiciona la electricidad producida por el frenado regenerativo. Por lo tanto, este convertidor está diseñado para funcionar con un flujo bidireccional de energía. En su lugar, el inversor auxiliar suministra energía para los sistemas de refrigeración, el confort de los pasajeros y otras necesidades no relacionadas con el movimiento.
El tamaño de la electrónica de potencia dentro del inversor de tracción depende de la clase de tren:
- Trenes de tránsito: 1.2 kV a 2.5 kV
- Trenes de cercanías: 1.7 kV a 3.3 kV
- Trenes interurbanos: por encima de 3.3 kV
Sin embargo, la mayoría de los trenes utilizan 3.3 kV o 1.7 kV.
El frenado regenerativo, que devuelve una parte de la electricidad a la red local, al sistema de distribución de energía ferroviaria o al almacenamiento de energía, hace que el sistema sea más complicado que los de las aplicaciones anteriores. La energía regenerada debe almacenarse o utilizarse inmediatamente; de lo contrario, se pierde.
Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) basados en Si y los diodos de libre circulación, utilizados tradicionalmente en módulos de potencia para aplicaciones de tracción ferroviaria, pueden sustituirse por MOSFET y diodos unipolares basados en SiC, aumentando así la frecuencia de conmutación y la densidad de potencia.
Hay que disminuir las pérdidas por conducción y conmutación y aumentar la temperatura máxima de unión para reducir el peso y el volumen de los equipos electrónicos de potencia utilizados en aplicaciones de tracción ferroviaria. En el caso de los dispositivos de potencia bipolares de silicio, ampliamente utilizados, el aumento de las pérdidas de conducción y la disminución de las pérdidas de conmutación tienen efectos opuestos. Un dispositivo unipolar no experimenta la compensación entre las pérdidas de conducción y las de conmutación como los dispositivos bipolares. Como resultado, las pérdidas de conmutación podrían reducirse al tiempo que se minimizan las pérdidas de conducción.
Las pérdidas de potencia en el riel eléctrico pueden reducirse drásticamente con la electrónica de potencia WBG. Como resultado, se extraerá menos energía de la red y se devolverá más a través del frenado regenerativo. Los dispositivos WBG también ofrecen ventajas adicionales que ayudan considerablemente al transporte ferroviario, además del aumento de la eficiencia, como son:
- La reducción de peso repercute significativamente en la eficiencia.
- La mayor temperatura de funcionamiento permite un sistema de refrigeración más pequeño.
- El aumento de la frecuencia de conmutación permite reducir las dimensiones pasivas, lo que disminuye el peso de los inversores de tracción y auxiliares. El inversor y el motor pueden responder más rápidamente a las variaciones de la demanda gracias a la mayor frecuencia de conmutación, lo que aumenta la eficiencia. Por último, como la frecuencia más alta es menos audible y los ventiladores de refrigeración pueden apagarse, las paradas de ferrocarril serían menos ruidosas cuando hay trenes.
Aplicaciones marítimas y aeronáuticas
Las innovaciones en electrónica de potencia llevan mucho tiempo beneficiando al sector náutico. En el buque, la electricidad de nivel medio de CA procedente de generadores síncronos alimentados por motores diésel se suministra a diversas cargas. Entre ellos destacan los propulsores (una mezcla de convertidores CA-CC y CC-CA) y otras cargas.
Las últimas tendencias en el sector naval intentan sustituir las redes de distribución eléctrica de CA por redes de distribución de CC. Esta solución elimina la necesidad de sincronizar los generadores con la distribución de alimentación de CA, siempre que puedan funcionar a velocidades variables, y consigue un ahorro de combustible. Por otro lado, requiere la introducción de circuitos rectificadores (convertidores de CA-CC) entre los generadores de CA y la red de distribución de alimentación de CC.
Los variadores de velocidad de propulsión marina son componentes cruciales de los buques que deben funcionar con extrema fiabilidad. Suelen tener potencias desde unos pocos vatios hasta varias decenas de megavatios. A menudo, estos accionamientos son los bloques de conversión de potencia más importantes en un buque con distribución de energía eléctrica de CA. De ahí que su gran eficacia sea crucial.
Una vez más, los dispositivos de potencia convencionales basados en silicio están siendo sustituidos por dispositivos de SiC y GaN, que aumentan la eficiencia al tiempo que reducen el tamaño y el peso. Los dispositivos WBG pronto superarán a los basados en Si como líderes del sector, aportando soluciones vanguardistas de sistemas de electrónica de potencia que son imposibles con la tecnología de silicio.
Los futuros generadores eléctricos alimentados por turbinas de combustible serán el motor principal de los sistemas de propulsión híbridos y totalmente eléctricos de la aviónica. Posteriormente se utilizará la electrónica de potencia para conectar el generador y el motor. Se necesitan buses de CC de muy alta tensión para garantizar la disponibilidad de energía suficiente. La tensión de estos autobuses puede variar desde unos pocos kV para vehículos ligeros hasta la gama de MT para aviones. Además, un bus de CC de alta tensión permite utilizar máquinas síncronas de imanes permanentes como generadores, lo que reduce la potencia reactiva y la potencia nominal de la electrónica de potencia. Los convertidores de potencia necesitan equipos que puedan funcionar a altas frecuencias de conmutación debido a la rápida velocidad de giro del generador, lo que se traduce en elementos filtrantes más pequeños y ligeros.
El carburo de silicio es el dispositivo semiconductor más prometedor para cumplir todos los requisitos y garantizar al mismo tiempo una alta eficiencia de conversión. Para aeronaves en la gama de baja potencia, los dispositivos MOSFET de SiC de 3.3 kV y 6.5 kV de nueva creación revisten un gran interés. También pueden emplearse en topologías de convertidores de potencia modulares para satisfacer las mayores necesidades de voltaje/potencia de los aviones más grandes.
Conclusión
Los semiconductores de banda prohibida ancha, como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), ofrecen varias ventajas sobre los semiconductores tradicionales por su capacidad para soportar altos voltajes y temperaturas con menores pérdidas de potencia. Estas características permiten que sean ideales para la electrónica de potencia utilizada en diversas aplicaciones, incluido el transporte.
Los semiconductores WBG se utilizan en la industria del transporte para desarrollar vehículos eléctricos e híbridos más eficientes y fiables. La menor pérdida de potencia de los semiconductores de banda prohibida ancha permite frecuencias de conmutación más altas, lo que reduce el tamaño y el peso de la electrónica de potencia. Esto, a su vez, puede traducirse en una mayor autonomía del vehículo, tiempos de carga más rápidos y un mejor rendimiento general.
Los semiconductores de banda prohibida también permiten desarrollar sistemas de propulsión más compactos y eficientes, como los motores e inversores para vehículos eléctricos y eléctricos de alta eficiencia. Al reducir el tamaño y el peso de estos componentes, los diseñadores de vehículos pueden liberar espacio para otros componentes o mejorar la aerodinámica general del vehículo.
Además de en vehículos eléctricos e híbridos, los semiconductores de banda prohibida también se utilizan en otros medios de transporte, como aviones y trenes. En estas aplicaciones, las capacidades de alta temperatura y alto voltaje de los semiconductores de banda prohibida pueden mejorar la eficiencia y fiabilidad de la electrónica de potencia, lo que se traduce en una reducción de los costes de explotación y una mejora de la seguridad.
