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Los avances en Semiconductores de Potencia hacen posible la carga rápida de Nivel 3 para acabar con la preocupación acerca de la autonomía de los vehículos eléctricos

Steven Shackell, Desarrollo del Negocio Industrial, ON Semiconductor.

Los avances en Semiconductores de Potencia hacen posible la carga rápida de Nivel 3 para acabar con la preocupación acerca de la autonomía de los vehículos eléctricos

Resumen

El crecimiento en el mercado de vehículos eléctricos aún se ve afectado por la preocupación sobre su autonomía y por el rechazo a tener que esperar horas a que la batería se cargue en medio de la ruta. Sin embargo, la “carga rápida de CC” promete reducir este tiempo a unos minutos al mismo tiempo que aumenta el número de estaciones de carga instaladas en cada país. Estos cargadores de alta potencia, que puede llegar hasta 350kW, deben ofrecer la máxima eficiencia eléctrica para ser rentables mediante el uso de lo más avanzado en topologías de conversión de potencia y tecnologías de conmutación de semiconductores. Este artículo revisa el método de diseño típico, algunas opciones y aspectos a valorar para los dispositivos de potencia, así como las ventajas que pueden aportar los más avanzados semiconductores de amplio salto de banda.

Artículo

Los vehículos eléctricos están destinados a lograr una amplia aceptación, con un crecimiento de las ventas cercano al 60%[1]. No obstante, el mismo análisis también muestra una penetración en el mercado de apenas un 2,2% a finales de 2018, por lo que queda mucho camino por recorrer hasta que los vehículos eléctricos tengan un papel preponderante. El compromiso de los fabricantes con los vehículos eléctricos está ahí, ya que hay más de 400 modelos previstos en 2023.

Varios factores influyen sobra la decisión de abandonar los vehículos impulsados por combustible, entre ellos ciertamente el precio de compra, pero la preocupación por la autonomía sigue presente. Puede que esto no suponga un problema para los desplazamientos cortos porque la recarga se realiza en casa por la noche, pero existe una verdadera preocupación de que los menos de 500 km de autonomía que suelen alcanzar no sean suficientes para viajes más largos, sobre todo en aquellas zonas donde los puntos públicos de carga son escasos y alejados entre sí. Si la recarga tarda varias horas y se encuentra a una gran distancia de su base, resulta muy difícil convencer al potencial cliente sobre la viabilidad del vehículo eléctrico. Incluso la carga total en casa de una batería totalmente agotada de 100kWh como la de un Tesla puede tardar 14 horas con una tensión de suministro de 240VCA, por lo que apenas deja tiempo antes del día siguiente. No obstante, se empiezan a comercializar cargadores “rápidos” de CC cuyo tiempo de carga es del orden de minutos en lugar de horas.

Cargadores clasificados por niveles

Existen diferentes opciones de carga para el hogar, la oficina y la carretera, y si bien hay un cierto debate sobre su terminología, se suele aceptar que el Nivel 1 usa una toma de corriente convencional de 120VCA (230/240VCA en Europa) con la velocidad de carga más lenta. El Nivel 2 utiliza 240VCA o en ocasiones 400VCA trifásicos a través de una estación de carga que incorpora control y protección, pero también se puede instalar en casa y proporciona una velocidad de carga más elevada. Los niveles 1 y 2 recurren al cargador del vehículo con el fin de generar CC para la batería. El Nivel 3 consiste en la carga directa de CC a la batería a partir de un convertidor CA/CC estático que suele hallarse en una gasolinera y necesita un suministro de CA trifásica. Esta configuración permite alcanzar una potencia máxima de 350kW y el tiempo de carga se reduce a unos minutos, similar al requerido para llenar el depósito de un vehículo con un motor de combustión interna. La Figura 1 indica el rendimiento de los tres niveles de carga de vehículos eléctricos en EE.UU.


Los avances en Semiconductores de Potencia hacen posible la carga rápida de Nivel 3 para acabar con la preocupación acerca de la autonomía de los vehículos eléctricos
Niveles de cargadores y su rendimiento en EE.UU.

Tecnología de cargadores rápidos

Los cargadores de Nivel 3, para potencias de hasta 350kW, son los que se caracterizan por un diseño más complejo. El bajo coste siempre es prioritario pero la eficiencia de la conversión también es fundamental; cada vatio desperdiciado equivale a una factura eléctrica más cara, menos energía para la batería y un mayor tiempo de carga, a lo cual se suma que la pérdida de calor disminuye los beneficios de los vehículos eléctricos para el medio ambiente. La alta eficiencia también disminuye los requisitos de refrigeración y ayuda a su vez a reducir el coste y el tamaño. La Figura 2 muestra el esquema de un cargador rápido de CC y destaca sus principales elementos.


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Esquema de un cargador rápido de CC. Fuente: On-Semi.

Para potencias del orden de varios kilovatios, la rectificación de CA trifásica y la corrección del factor de potencia se suelen implementar a través de un “rectificador Vienna” que puede ser de dos tipos (Figura 3). La Topología 1 tiene menos componentes y su eficiencia es la más elevada pero los diodos deben ser de 1200V y por tanto relativamente costosos, a lo cual se suma la necesidad de un control complejo de los seis interruptores. La Topología 2, en cambio, solo usa tres interruptores, el control es menos complejo y los diodos pueden ser de 600V, pero la eficiencia es más baja ya que hay más diodos en las vías de conducción. En ambas topologías se pueden emplear MOSFET de alta tensión de Si o SiC pero para minimizar el coste se puede recurrir a IGBT si la frecuencia es reducida. Se pueden seleccionar dispositivos de ON Semiconductor ® [2], como por ejemplo sus ‘Field Stop 4’ para 650V o 950V en versiones de baja, media y alta velocidad con diferentes valores para la tensión de saturación y EOFF como indicativos de las pérdidas dinámicas. Para tensiones más elevadas, que posiblemente hagan falta para una etapa de rectificador de medio puente trifásico y corrector del factor de potencia basada en IGBT, los dispositivos ‘Ultra Field Stop’ de 1200V de ON Semiconductor también se suministran en versiones de baja y alta velocidad con los mejores valores de VCESAT y EOFF en su segmento.


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Topologías de rectificador Vienna.

La etapa del rectificador Vienna crea un bus de alta tensión regulada para la etapa principal de conversión CC/CC, que puede tener una entre varias posibles topologías. La Figura 4 muestra configuraciones comunes como LLC intercalado de puente completo y LLC de 3 niveles. La versión intercalada puede utilizar MOSFET SuperJunction de 650V ya que cada uno de ellos solo se expone a la mitad de la tensión de alimentación. Podrían pertenecer a la gama basada en la tecnología SuperFET® III de ON Semiconductor, disponible en tres versiones: ‘Easy Drive’, con Resistencia de puerta integrada con el fin de disminuir el nivel de EMI y los picos de tensión, ‘Fast’ para la máxima eficiencia en aplicaciones de conmutación dura, y ‘FRFET ®’ para obtener el mejor rendimiento en convertidores resonantes como LLC con el mejor diodo estructural de su segmento.


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Topologías disponibles para el convertidor.

Para aumentar la eficiencia y la densidad de potencia se pueden utilizar MOSFET de SiC de 900V/1200V ya que su coste más elevado se compensa con los componentes magnéticos de menor tamaño para una mayor frecuencia de conmutación. La alta tensión permite recurrir a medio puente no intercalado y con menos interruptores, reduciendo así el coste. En aplicaciones muy sensibles al coste se pueden utilizar los IGBT de 650V o 1200V pertenecientes a la gama Field Stop de ON Semiconductor, pero solo a una frecuencia más baja y por tanto unos componentes magnéticos más grandes y costosos. Los diodos de salida pueden ser del tipo ‘Stealth’ o ‘Hyperfast’ de silicio de 1200V o, para reducir aún más las pérdidas, de SiC de 1200V.

La topología LLC de 3 niveles usa menos diodos e interruptores con sus correspondientes controles de puerta aislados y, aunque necesita tres transformadores, el rizado de salida es mucho menor. Una vez más, se pueden emplear MOSFET SuperJunction de Si o de SiC o bien IGBT, dependiendo del equilibrio entre rendimiento y coste.

Mejoras en los dispositivos de SiC con un amplio salto de banda

La posibilidad de utilizar interruptores y diodos de SiC con un amplio salto de banda presenta muchas ventajas: la conmutación rápida de tensiones altas con bajas pérdidas puede reducir el coste, el tamaño y el peso del sistema, además de ahorrar energía. Las pruebas en las que se comparó una solución de silicio basada en un rectificador Vienna y un convertidor LLC de puente completo con un rectificador de medio puente trifásico / corrector del factor de potencia basado en carburo de silicio y un convertidor LLC de puente completo dieron como resultado, para la versión de SiC, una mejora del 25% en la potencia con una reducción de peso del 22% y del 62% en volumen, todo ello con un número de dispositivos un 20% más bajo, por lo que el producto obtenido es más fiable.

Encapsulado avanzado

Aprovechar al máximo los semiconductores de potencia depende a menudo del encapsulado, especialmente a frecuencias más altas de conmutación cuyos efectos parásitos, como las inductancias en el terminal, pueden afectar al rendimiento. Innovaciones de ON Semiconductor como los encapsulados sin terminales PQFN, LFPAK y TO solucionan el problema y proporcionan un mayor rendimiento térmico. Para lograr una disminución significativa del tiempo de ensamblaje en la producción y del número de dispositivos se puede valorar el uso de módulos PIM (Power Integrated Modules), que integran varios dispositivos en un solo encapsulado que puede albergar diversos IGBT, MOSFET de Si y SiC, y diodos de Si y SiC en función de las necesidades, así como otros componentes como las resistencias de detección. El rendimiento de los PIM previamente montados está garantizado, de esta forma se eliminan riesgos de desarrollo, se reduce el stock de dispositivos y se acorta el plazo de comercialización.

Conclusión

Los semiconductores de potencia de última generación en topologías de conversión de potencia de alta eficiencia permiten diseñar cargadores más rápidos de CC para vehículos eléctricos que acaben con la preocupación por la autonomía. ON Semiconductor integra verticalmente todos los procesos en el suministro de IGBT, MOSFET y diodos de Si y SiC con el fin de ofrecer soluciones completas de potencia, así como una numerosa gama de componentes auxiliares como controladores analógicos y digitales, controladores de puerta aislados, amplificadores de detección con bajas pérdidas y optoacopladores.

www.onsemi.com

 

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