Autor: Jonathan Liao, Senior Product Line Manager, onsemi
La preocupación por la autonomía de los vehículos eléctricos (VE) es una barrera para su adopción para muchos consumidores. Incrementar la densidad de células en la batería y mejorar la eficiencia de los procesos de conversión de energía es fundamental para alargar la autonomía del vehículo con el fin de mitigar esta preocupación. Un elemento clave cuya eficiencia es primordial es el inversor de tracción, que convierte la tensión de la batería CC en la CA necesaria para alimentar los motores del vehículo.
En este artículo técnico explicaremos cómo los IGBT VE-Trac™ y los módulos de carburo de silicio (SiC) permiten aumentar las densidades de las células y proporcionan un proceso de conversión más eficiente para prolongar la autonomía de un VE, ayudando así a acabar con la preocupación de los consumidores.
Los inversores de tracción son fundamentales en los VE ya que conectan las baterías a los motores de tracción. Estos inversores convierten la tensión continua CC de la batería en la tensión alterna CA necesaria para accionar los motores, cuya potencia suele estar entre los 80 kW hasta más de 150 kW. La tensión de la batería depende del tamaño de la serie de baterías y suele ser del orden de 400 VCC, aunque se van generalizando 800 VCC en un intento por reducir las corrientes y, por tanto, atenuar las pérdidas.
Pese a disminuir el coste un 40% en los tres últimos años, o el 90% en la pasada década, la batería de iones de litio (Li-Ion) sigue siendo el elemento más costoso del VE. Se espera que la trayectoria descendente de los precios continúe hasta 2025, cuando se estabilizarán. Ante semejante coste, es imprescindible que cada julio de energía almacenada se utilice lo más eficientemente posible para mitigar el coste y el tamaño del paquete de baterías.
Esta propulsión eléctrica proporciona una enorme cantidad de par y aceleración. La capacidad de respuesta de la combinación del inversor y el motor eléctrico está directamente relacionada con la “sensación” que transmite el vehículo, y por tanto con la experiencia de conducción y la satisfacción del consumidor.
Papel de los dispositivos de conmutación
Un inversor de tracción suele estar formado por tres elementos de medio puente, cada uno de los cuales consiste en un par de MOSFETs o IGBTs denominados interruptores de lado de alto (high-side) y de lado bajo (low-side). Hay un medio puente por cada fase del motor, por lo que hay tres en total y los drivers de puerta controlan cada dispositivo de conmutación.
Figura 1: Esquema general de un inversor de tracción.
La principal función de estos interruptores es conmutar la tensión CC y la corriente de la batería de alta tensión para el accionamiento de CA del motor o los motores que impulsan el vehículo. Se trata de una aplicación exigente debido a las altas tensiones, corrientes y temperaturas de funcionamiento de las baterías de 800 V, que pueden suministrar más de 200 kW de potencia.
Los inversores de tracción basados en sistemas de baterías de 400 V requieren dispositivos semiconductores de potencia cuya VDS es de 650 a 750 V, mientras que las soluciones de 800V necesitan una VDS de 1200 V. En una aplicación típica, estos componentes de potencia también deben manejar picos de corriente CA superiores a 600A hasta 30 segundos (s) y una corriente CA máxima de 1600 A durante 1 milisegundo (ms) aproximadamente.
Además, los transistores de conmutación y los drivers de puerta utilizados para el dispositivo han de ser capaces de manejar estas cargas elevadas manteniendo una alta eficiencia del inversor de tracción.
El IGBT ha sido el dispositivo más elegido para aplicaciones de inversor de tracción ya que puede manejar altas tensiones, conmutar con rapidez, funcionar de manera eficiente y cumplir los difíciles objetivos de coste de la industria de automoción.
Interruptores y densidad de potencia
El espacio destinado a la tecnología en los vehículos modernos es extraordinariamente limitado. Esto significa que la densidad de potencia es un parámetro importante, especialmente para el sistema de propulsión. El tamaño y el peso se deben minimizar ya que el peso disminuye la autonomía del vehículo.
Junto con el tamaño de los componentes, el principal factor del tamaño es la eficiencia del diseño. Cuanto mayor es la eficiencia, menos calor se genera y más pequeño puede ser el inversor.
Los interruptores (IGBT o MOSFET) son los que más influyen sobre las pérdidas que generan calor. Una menor resistencia en conducción (RDS(ON)) reduce las pérdidas estáticas, mientras que las mejoras en la carga de la puerta (Qg) disminuyen las pérdidas dinámicas o en conmutación, permitiendo así que los sistemas conmuten con más rapidez. Si la velocidad de conmutación es más alta, el tamaño de los componentes pasivos, por ejemplo los magnéticos, se puede reducir mucho, incrementando de este modo la densidad de potencia.
La temperatura máxima de funcionamiento de los interruptores también puede afectar a la densidad de potencia; si los dispositivos pueden funcionar a temperaturas más elevadas necesitarán menos refrigeración, y por tanto se podrán reducir aún más el tamaño y el peso del diseño.
Un método modular para incrementar la densidad de potencia
En numerosos diseños de inversores de tracción, los principales componentes a menudo están encapsulados de forma separada y discreta. Si bien este método desde luego es válido, no aporta necesariamente el diseño más compacto o con la mayor densidad de potencia.
Una alternativa consiste en utilizar módulos preconfigurados para obtener los medios puentes que requiere el inversor de tracción. Una solución de este tipo es el VE-Trac Power Integrated Module (PIM) de onsemi, especialmente destinado a aplicaciones de electrificación de vehículos, inversores incluidos.
Los módulos de potencia VE-Trac Dual incorporan un par de IGBT Ultra Field Stop (UFS) de 1200 V en una configuración de medio puente. Estos dispositivos usan la tecnología robusta y probada de IGBT Trench UFS, que proporciona una alta densidad de corriente, protección robusta frente a cortocircuitos y la mayor tensión de bloqueo necesaria para aplicaciones con baterías de 800 V. Los IGBT inteligentes integran sensores de corriente y temperatura, por lo que son únicos y capaces de ofrecer un tiempo más rápido de reacción en funciones de protección como sobrecorriente (OCP) y sobretemperatura, de ahí que sean una solución más robusta que otras.
Los dispositivos se montan sobre un sustrato DBC de Al2O3 con una capacidad de aislamiento de 4,2 kV (básico) con cobre y refrigeración a ambos lados. La ausencia de hilos de conexión duplica la vida útil prevista si se compara con otros módulos similares que contienen estas conexiones. El encapsulado contiene los IGBT y un diodo que reduce las pérdidas de potencia y permite una conmutación suave, mejorando así la eficiencia total.
El pequeño tamaño del encapsulado facilita mucho la integración de los módulos VE-Trac Dual en un diseño compacto. El funcionamiento eficiente, las bajas pérdidas y la refrigeración en ambos lados garantizan la gestión térmica, mientras que la temperatura de funcionamiento continuo de 175°C permite suministrar picos de potencia más elevados a los motores de tracción.
Normalmente solo hace falta un módulo VE-Trac Dual para cada fase del inversor de tracción y el propio diseño mecánico permite su uso en aplicaciones multifase gracias a su fácil escalabilidad, incluida la capacidad de conectar módulos en paralelo con el fin de suministrar más potencia en cada fase.
Si bien los módulos VE-Trac basados en IGBT son suficientes para la mayoría de las aplicaciones de automoción, también hay disponible una versión mejorada basada en MOSFET de carburo de silicio (SiC) para las aplicaciones más exigentes. Esta versión utiliza la tecnología WBG (Wide Band Gap) más avanzada para disminuir aún más el tamaño y mejorar la eficiencia en los diseños de inversores de tracción.
Resumen
Conseguir que los VE recorran una mayor distancia entre cargas de la batería es uno de los mayores retos tecnológicos de nuestro tiempo. Gracias al impulso de la normativa y al deseo de mejorar nuestro medio ambiente, estos vehículos tendrán una rápida adopción en los próximos años.
Esta adopción será más rápida si los VE son más atractivos, y esto exige reducir la preocupación del consumidor por la autonomía del vehículo. La mejor manera de lograr este objetivo es incrementar la eficiencia, no solo por lo que se refiere a la propia autonomía sino también a la densidad de potencia y a la fiabilidad.
Los interruptores semiconductores son fundamentales para conseguir esta eficiencia, y si bien los dispositivos discretos alcanzan un excelente rendimiento, la solución definitiva es un Power Integrated Module (PIM) especialmente diseñado para automoción, como los módulos VE-Trac de onsemi. Estos diseños basados en IGBT ofrecen los niveles necesarios de eficiencia, rendimiento y escalabilidad en un formato compacto que simplifica el diseño térmico.
