El cambio climático ha forzado al sector a crear soluciones de energía alternativa. Las tecnologías innovadoras, como la generación de energía solar y eólica, han reemplazado a las plantas tradicionales basadas en combustible con una frecuencia cada vez mayor, y los ahorros de costos generados por los métodos de almacenamiento y recolección de energía han superado a los de las plantas de gas "de picos" costosas.
Con los apoyos gubernamentales para estas tecnologías relativamente nuevas por medio de políticas e incentivos, existen muchas oportunidades de mejora y crecimiento en la infraestructura de energía pública y su estructura de red relacionada.
Avances recientes para generar grandes mejoras
Anteriormente, las estructuras de red consistían en una entrega de energía unidireccional y una generación de energía ilimitada, como combustible fósil, energía hidroeléctrica y plantas de energía nuclear. Los avances recientes en la energía renovable y los métodos de recolección han permitido que esta misma red expanda sus fuentes de generación de electricidad (eólica y solar) al mismo tiempo que genera una distribución bidireccional flexible, dirigida a varias demandas y opciones de almacenamiento diferentes.
En el tema específico de la energía solar, la instalación suele requerir el uso de inversores que conviertan la tensión de CC producida por los módulos fotovoltaicos (PV) en una tensión de CA, la cual después se transfiere de regreso hacia la red. Una de las opciones más comunes para hacerlo es mediante un esquema de inversor en cadena, en el que la tensión de CC proveniente de una cadena de paneles solares se alimenta hacia una etapa de boost de CC/CC, después hacia un inversor de CC/CA, y después se conecta a la red.
La Figura 1 muestra un diagrama de bloques típico de inversor solar en cadena con conducción de compuerta, detección y procesamiento. En general, la entrega de potencia para esta configuración se realiza mediante IGBT, FET de alta tensión y módulos integrados de potencia (PIM) que contienen IGBT integrados y diodos, la cual es la opción más común.
Otro sector ecológico con demandas similares de alta potencia es la carga de vehículos eléctricos (EV). La popularidad de los vehículos eléctricos (EV) ha crecido con una velocidad sin precedentes. Desafortunadamente, las estaciones de carga no han evolucionado al mismo ritmo. La infraestructura para la carga de EV no ha alcanzado los mismos niveles de disponibilidad que las estaciones de gasolina, por lo que aún no ofrecen los tiempos de carga que necesitan los consumidores para sentirse cómodos sobre las distancias que pueden recorrer con los menores retrasos posibles. Se ha demostrado que los sistemas de carga rápida de CC (en comparación con los sistemas de carga más lentos basados en CA) que operan con niveles de potencia de 350 kW pueden cargar por completo un vehículo en menos de 10 minutos.
La Figura 2 muestra un ejemplo de un diagrama de bloques de un sistema típico de carga rápida de CC que contiene los componentes de trayecto de potencia, así como el procesamiento y los periféricos relacionados.
Se ha descubierto que los componentes basados en carburo de silicio (SiC) ofrecen una mejor solución de entrega de potencia para la infraestructura de energía pública, como las redes eléctricas y las estaciones de carga de EV. Este tipo de solución podría ofrecer mejores niveles de pérdidas de conducción, corriente de dispersión, administración térmica, capacidad de incremento repentino del voltaje y densidad energética. Además, la tecnología basada en SiC ofrece una mejor eficiencia en general, con una mayor fiabilidad y menor espacio utilizado. Las empresas líderes del sector, como onsemi, ofrecen un conjunto de dispositivos SiC. Vamos a explorar estos dispositivos y conocer algunas de sus aplicaciones.
Tecnología de SiC: Una mejor solución
Independientemente de si la aplicación es solar, carga de EV o incluso granjas de servidores, se ha demostrado que la tecnología de SiC puede superar el rendimiento de los componentes tradicionales de silicio y los módulos, como los IGBT/MOSFET de silicio. Comencemos con un tema primordial para todos los diseñadores: la eficiencia.
¿Cómo pueden ofrecer una mayor eficiencia los componentes de SiC? Aunque existen muchos factores, los beneficios principales del SiC incluyen mayores frecuencias (hasta 1 MHz) y temperaturas de operación con menores pérdidas de conducción (Vf), así como mayores niveles de tensión máxima y valor nominal de la corriente (tensión de fuente de drenaje de hasta 1800 V y capacidades de corriente de hasta 100 A), los cuales, a su vez, ofrecen una mayor eficiencia energética y menores requisitos de enfriamiento que los MOSFET de silicio.
En la Figura 3, puede ver un diagrama con las maneras en que la tecnología de SiC ofrece algunas de las capacidades generales de potencia más altas para las aplicaciones de alta tensión y alta corriente.
Dado que la resistencia activa de estos dispositivos SiC es menor y su capacidad de potencia es mucho mayor, una solución basada en SiC genera mayores eficiencias operativas.
La Figura 4 muestra las maneras en que un diodo basado en SiC en conjunto con un MOSFET puede ayudar a mejorar la eficiencia energética de un convertidor de boost de 5 kW al disminuir las pérdidas de conducción en hasta un 73 %.
El tamaño de los circuitos basados en SiC suele ser mucho menor, debido a los menores requerimientos de tamaño de los inductores y capacitores relacionados. De hecho, en algunos casos, el tamaño es hasta un 75 % menor, debido a que las frecuencias de conmutación son mayores que en los circuitos basados en silicio que operan con el mismo nivel de potencia. Esto es lo que ofrece la mayor densidad energética. Y, aunque los MOSFET de SiC suelen ser hasta 4 veces más costosos que los MOSFET tradicionales de silicio, el costo general del sistema disminuye debido al menor tamaño de estos inductores y capacitores.
En cuanto al montaje y la integración mecánica, se ha demostrado que los PIM de onsemi, como los módulos Q0/Q1/Q2PACK, los cuales incluyen componentes de SiC para ayudar a reducir el número total de componentes, simplifican el proceso de fabricación y disminuyen los riesgos de desarrollo, al mismo tiempo que permiten una comercialización más rápida.
Además, las soluciones discretas no integradas suelen requerir más tiempo de montaje para los componentes de administración térmica, como las almohadillas de aislamiento y los disipadores de calor, al mismo tiempo que generan un mayor riesgo de mal contacto térmico. Las soluciones PIM ofrecen un proceso de montaje mucho más sencillo, lo que reduce el tiempo y los costos de montaje y aumenta la fiabilidad, además de que permite crear un producto final más compacto debido a los beneficios de densidad energética.
La Figura 5 muestra una comparación del proceso de montaje para una solución discreta y un módulo PIM.
Aplicación de las soluciones de potencia de onsemi en aplicaciones de SiC modernas
Los módulos PIM de onsemi ofrecen una conmutación más rápida, una mayor eficiencia energética y una mayor densidad energética, además de que permiten reducir el costo y el tamaño de los sistemas, pero eso no es todo. Los módulos PIM no siempre se utilizan en lugar de los componentes discretos, y la potencia nominal de la aplicación, junto con las consideraciones de costos y rendimiento, suelen ser los factores que impulsan la decisión de diseño. onsemi ofrece soluciones discretas y PIM de SiC.
La Figura 6 muestra los factores que pueden definir la decisión entre una solución discreta y una solución PIM.
Los suministros de energía auxiliares de alto voltaje utilizados para aplicaciones como UPS, controladores de motor o un inversor de PV suelen tener tensiones de CC de enlace que van desde los 300 VDC hasta los 1000 VDC, lo que dificulta la incorporación de PSU auxiliares de baja tensión para pantallas, ventiladores o calentadores. Sin embargo, los MOSFET de SiC operan con una tensión de bloqueo mucho más alta y un rango de tensión de entrada más amplio, por lo que ofrecen una mayor flexibilidad y más capacidades para el sistema. Además, las frecuencias más altas y la resistencia activa más baja generan soluciones mucho más pequeñas y de mayor potencia, como se menciona en la sección de ventajas del SiC. Veamos una comparación directa entre un suministro configurado por ESBC ejecutado a 75 kHz y un suministro basado en SiC ejecutado a 300 kHz. El suministro de SiC genera un menor tamaño (alrededor de la mitad), una salida de potencia 20 % mayor y una eficiencia energética bastante más alta.
Consulte la Figura 7 para ver la comparación de tamaño y eficiencia.
onsemi ofrece una gran variedad de tecnologías de conmutación y tipos de paquetes basados en las necesidades de la aplicación, así como controladores aislados.
Consulte la Figura 8 para conocer la cartera completa de dispositivos de SiC de onsemi.
Conclusión
La tecnología de SiC ofrece muchos beneficios que mejoran las eficiencias de potencia y la fiabilidad del sistema para el hardware de alta potencia utilizado en el sector de infraestructura de energía pública, que crece rápidamente y cuenta con el financiamiento del gobierno, al mismo tiempo que disminuye el costo y el tamaño del sistema en general.
Independientemente de si se trata de una red eléctrica que utiliza energía renovable, una estación de carga de EV o cualquier otra aplicación de alta tensión/alta corriente, los dispositivos de SiC ofrecen ventajas considerables. Conozca la cartera de productos líderes de onsemi en Arrow.com, donde encontrará una gran variedad de dispositivos de SiC para todo tipo de aplicaciones.