MOSFET versus IGBT: el futuro del control del accionamiento por motor
Los dispositivos electromecánicos (conmutadores, solenoides, codificadores, generadores y motores eléctricos) son el puente fundamental desde el mundo digital hasta el mundo físico. La magia de todos estos dispositivos es su capacidad para convertir señales eléctricas en acciones mecánicas.
A medida que industrias como la fabricación automatizada, vehículos eléctricos, sistemas de construcción avanzados y electrodomésticos inteligentes progresan, la demanda para que estos dispositivos electromecánicos tengan mayor control, eficacia y capacidades también aumenta. Este artículo explora cómo los avances en los MOSFET de carburo de silicio (MOSFET de SiC) redefinen las capacidades de los motores eléctricos que históricamente han utilizado IGBT de silicio (IGBT de Si) en cuanto a inversión de potencia. Esta innovación expande las capacidades de las aplicaciones de accionamiento por motor en prácticamente todas las industrias.
¿Qué son los IGBT de Si y los MOSFET de SiC?
IGBT de Si es la abreviatura de transistores bipolares de compuerta aislada con silicio. MOSFET de SiC es la abreviatura de transistor de efecto de campo por semiconductor de óxido metálico.
Los IGBT de Si son dispositivos controlados por corriente que se activan mediante una corriente que se aplica al terminal de compuerta del transistor, mientras los MOSFET son controlados por tensión mediante una tensión que se aplica al terminal de compuerta.
La principal diferencia entre los IGBT de Si y los MOSFET de SiC es el tipo de corriente que pueden manejar. En general, los MOSFET son adecuados para usos de conmutación de alta frecuencia, mientras que los IGBT son mejores para usos de alta potencia.
Por qué los IGBT de silicio y los MOSFET de carburo de silicio son esenciales en aplicaciones de accionamiento por motor
Los motores eléctricos son de uso generalizado en la tecnología moderna y normalmente dependen de sistemas de baterías como fuente de alimentación. Por ejemplo, los vehículos eléctricos utilizan sistemas de baterías enormes que proporcionan energía de CC al vehículo, lo cual crea movimiento físico a través de motores eléctricos de CA. El control absoluto de estos motores de CA es esencial para el rendimiento y la eficiencia del vehículo, así como para la seguridad de los pasajeros. Sin embargo, este sistema de tren motriz depende de inversores para convertir la energía de CC proveniente de la batería en una señal de CA que el motor puede usar para crear movimiento.
Estos inversores controlan de manera precisa la velocidad, el par, la potencia y la eficiencia del motor, y permiten capacidades de frenado regenerativo. En última instancia, el inversor es tan importante para el sistema de tren motriz como el motor. Como sucede con todos los dispositivos en usos de energía, los inversores pueden variar de manera drástica en cuanto a capacidades y requisitos de diseño, y son esenciales para el rendimiento general del sistema de energía de CC para el sistema de motor de CA.
Hay dos tipos de inversores que se usan en las aplicaciones de accionamiento por motor de CC a CA modernas: IGBT de silicio y MOSFET de carburo de silicio. Históricamente, los IGBT de Si son los más comunes, pero los MOSFET de SiC se han multiplicado en popularidad, gracias a sus varias ventajas de rendimiento y a sus costos en constante caída. Cuando los MOSFET de SiC salieron al mercado por primera vez, tenían un costo muy prohibitivo para la mayoría de las aplicaciones de accionamiento por motor. Sin embargo, a medida que aumenta la adopción de esta tecnología superior, la fabricación escalada ha reducido drásticamente el costo de los MOSFET de SiC.
Ventajas y desventajas de IGBT de Si en comparación con MOSFET de SiC
Los IGBT de Si se utilizan históricamente en aplicaciones de accionamiento por motor de CC a CA, debido a su capacidad para manejar corrientes altas, rápida velocidad de conmutación y bajo costo. Lo más importante es que los IGBT de Si tienen un valor nominal de tensión alto, con una caída de tensión baja, pérdidas de conducción e impedancia térmica, lo que los convierte en una elección obvia en aplicaciones de accionamiento por motor de alta potencia, como en sistemas de fabricación. Sin embargo, un inconveniente considerable para los IGBT de Si es que son altamente susceptibles a las fugas térmicas. La fuga térmica se produce cuando la temperatura del dispositivo sube sin control, lo que provoca que el dispositivo no funcione bien y finalmente falle. En aplicaciones de accionamiento por motor donde condiciones de alta corriente, tensión y funcionamiento son comunes, como en vehículos eléctricos o fábricas, la fuga térmica puede ser un riesgo de diseño significativo.
Como solución para este desafío de diseño, los MOSFET de SiC son más resistentes a la fuga térmica. El carburo de silicio tiene mayor conductividad térmica, lo que permite una mejor disipación del calor a nivel de dispositivo y temperaturas de funcionamiento estables. Los MOSFET de SiC son más adecuados para espacios de condiciones ambientales más cálidas, como aplicaciones automotrices e industriales. Adicionalmente, dada su conductividad térmica, los MOSFET de SiC pueden eliminar la necesidad de contar con sistemas de enfriamiento adicionales, lo que reduce potencialmente el tamaño total del sistema y el costo del sistema.
Debido a que los MOSFET de SiC funcionan a frecuencias de conmutación mucho mayores que los IGBT de Si, son ideales para aplicaciones en donde el control preciso del motor es esencial. Las frecuencias de alta conmutación son primordiales en la fabricación automatizada, donde los servomotores de gran precisión se usan para el control de brazos mecánicos, soldadura de precisión, y colocación precisa de objetos.
Además, una ventaja notable de los sistemas de accionamiento por motor de MOSFET de SiC sobre IGBT de Si es su capacidad de estar integrados dentro de conjuntos de motores, con un controlador e inversor de motor integrado dentro de la misma caja que la del motor.
Al cambiar el conjunto de controlador de motor a la ubicación local del motor, el cableado entre los inversores del accionamiento y el controlador del motor se puede reducir drásticamente, lo que permite generar un ahorro significativo. En el ejemplo de la Imagen B, un gabinete de potencia de IGBT de Si tradicional puede requerir 21 cables únicos para alimentar a los siete motores (marcados "M") del brazo robótico, que podrían totalizar cientos de metros de infraestructura de cables costosa y compleja. Con un sistema de accionamiento por motor de MOSFET de SiC, la cantidad de cables se podría reducir a dos cables largos que se conectan a cada accionamiento por motor del motor dentro del conjunto de motor local.
Imagen 2: comparación de un control de sistema de IGBT de silicio con MOSFET de carburo de silicio de un brazo robótico.
Desventajas de MOSFETS de SiC en comparación con IGBT de Si
Sin embargo, hay desventajas con los MOSFET de SiC en comparación con los IGBT de Si. En primer lugar, los MOSFET de SiC aún son más costosos que los IGBT de Si, lo que los convierte en potencialmente menos adecuados para usos sensibles a los costos. Aunque los MOSFET de SiC son más costosos, puede que para algunos usos haya una reducción en el precio del sistema general de controlador de motor (al reducir el cableado, los componentes pasivos, la administración térmica, etc.) y sean más baratos en general al compararlos con un sistema IGBT de Si. Este ahorro de costos puede requerir un análisis de diseño y estudio de costos entre los dos sistemas de aplicación, pero podría conducir a lograr mayor eficiencia y ahorro de costos.
Otro inconveniente de los MOSFET de SiC es que pueden tener requisitos de controlador de compuerta más complejos que pueden hacer que sean menos ideales que los IGBT en usos en los que otros componentes del sistema pueden limitar los recursos del controlador de compuerta.
Mejor tecnología de inversor con MOSFET de carburo de silicio
Los MOSFET de carburo de silicio han mejorado drásticamente la tecnología de inversión para los sistemas de accionamiento por motor. Como sucede con todo tipo de componentes, hay usos específicos en los que los IGBT aún pueden ser más adecuados. Sin embargo, los inversores de MOSFET de SiC ofrecen varias ventajas distintas sobre los IGBT de Si, lo que los convierte en soluciones atractivas para aplicaciones de accionamiento por motor y una amplia gama de otros usos.
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