Desde los vehículos eléctricos hasta los paneles solares y los sistemas de HVAC, los dispositivos de SiC refuerzan la densidad de potencia, la eficiencia y la confiabilidad al mismo tiempo que reducen el tamaño y el peso de los sistemas.
Casi media década después de que Tesla incorporara los MOSFET de carburo de silicio (SiC) en el inversor de tracción del Model 3, un dispositivo que convierte la corriente continua que sale de la batería en la corriente alterna necesaria para accionar el motor, esta tecnología de banda ancha prohibida (WBG) ha recorrido un largo camino para cambiar la dinámica de potencia en los diseños de vehículos eléctricos.
Un estudio de Exawatt prevé que el 70 % de los vehículos eléctricos de pasajeros utilizará MOSFET de SiC para 2030. Luego, se espera que este material semiconductor de WBG transforme los diseños de energía renovable que van desde turbinas eólicas hasta motores industriales y paneles solares.
Además de la electrificación de vehículos, una variedad de dispositivos como inversores de tracción traducen, administran y regulan de forma constante el flujo de energía en la electrificación de parques eólicos, energía solar y redes eléctricas.
Los dispositivos de SiC de Infineon eran el centro de un proyecto piloto de un año para reducir el ruido del motor en los tranvías en Munich, Alemania.
Pero, ¿por qué los componentes de SiC encajan mejor en los vehículos eléctricos y en los diseños de energía renovable como los inversores fotovoltaicos? En las aplicaciones de potencia que sirven para la electrificación de vehículos, así como para los sistemas de energía renovable, la eficiencia, la confiabilidad y la densidad de energía son desafíos constantes para los ingenieros de diseño. Sin embargo, los componentes basados en silicio en su mayoría han alcanzado sus límites en cuanto a mejoras de eficiencia y reducción de costos del sistema.
Por otro lado, los diseños como las unidades de potencia de tracción, los accionamientos de motores industriales y las soluciones de infraestructura energética requieren tecnología de conmutación de alta tensión para aumentar la eficiencia, reducir el tamaño y el peso del sistema y mejorar la confiabilidad. Eso requiere una nueva generación de componentes de potencia que mejoren la eficiencia a nivel del sistema, aumenten la densidad de potencia, reduzcan la interferencia electromagnética y disminuyan el tamaño y el peso del sistema. Aquí entran en escena los semiconductores de potencia de SiC.
Tomemos el caso de los vehículos eléctricos, en los que los componentes de SiC se han convertido en un habilitador de diseño clave en inversores de tracción, cargadores integrados (OBC), convertidores de CC/CC y compresores de Green-e® Climate. La siguiente sección profundizará en cómo los semiconductores de SiC mejoran la eficiencia y reducen el tamaño del tren motriz y los cargadores en vehículos eléctricos.
Por qué SiC es la base de los vehículos eléctricos
No es de extrañar que los vehículos eléctricos aspiren a aumentar la capacidad de la batería a bordo para mejorar la autonomía. Además, los vehículos eléctricos utilizan baterías de 800 V de mayor tensión para satisfacer la demanda de tiempos de carga más breves. Por lo tanto, no sorprende que los diseñadores de automóviles necesiten con urgencia dispositivos de potencia capaces de soportar una alta tensión con bajas pérdidas.
Los componentes de SiC pueden admitir tensiones de hasta 1200 V y más, mientras ofrecen una conductividad térmica más alta. Además, su manejo robusto de altas frecuencias equivale a componentes pasivos más pequeños dentro de los sistemas de energía. Así es como los dispositivos de alimentación de SiC ayudan a aumentar la eficiencia y reducir el peso y el costo del vehículo.
Además del tren motriz (es decir, la pieza que lleva la energía desde la fuente de alimentación (batería) hasta los ejes para mantener los vehículos en marcha), el mercado adyacente más notable es la carga a bordo de los vehículos eléctricos. Aquí, los dispositivos convertidores son como inversores de tracción, pero hacen lo contrario: convierten la alimentación de CA de la toma de pared en alimentación de CC para adaptarse a la batería.
Cuando Lucid, un fabricante de automóviles de California, estaba diseñando su primer vehículo eléctrico sedán de lujo, Lucid Air, empleó MOSFET de SiC en la unidad de carga principal a bordo, la cual integraba un convertidor de CC/CC y el OBC bidireccional para garantizar un circuito de corrección/factor de potencia avanzado capaz de operar a altas frecuencias de conmutación.
Los MOSFET de SiC de Rohm alimentaron la unidad Wunderbox de Lucid Air, la principal unidad de carga a bordo que integra un convertidor de CC/CC y el OBC bidireccional.
La incorporación de los MOSFET de SiC SCT3040K y SCT3080K de Rohm también ayudó a Lucid a reducir el tamaño del diseño y a disminuir las pérdidas de energía debido a la alta eficiencia de carga. Rohm ha optimizado sus MOSFET de SiC para los sistemas del tren motriz en coches; por ejemplo, los inversores de accionamiento principales.
Luego están los autobuses eléctricos en China lanzados por Yutong Group. Aquí, el sistema de tren motriz de alta eficiencia para autobuses eléctricos se basa en módulos StarPower que incorporan los MOSFET de SiC de Wolfspeed de 1200 V.
Más allá de los vehículos eléctricos: Energía renovable
Si bien SiC está redefiniendo el funcionamiento del tren motriz y los OBC en los vehículos eléctricos, ha demostrado capacidad para aplicaciones de electrificación que van desde sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) hasta redes eléctricas y motores industriales. En resumen, la historia de SiC es bastante más extensa que la de los vehículos eléctricos.
Ejemplo concreto: la capacidad fotovoltaica instalada está proliferando en todo el mundo, reemplazando alrededor de 600 centrales eléctricas a carbón de tamaño intermedio. Los sistemas de energía solar usan muchos inversores, y aquí, el peso y el tamaño son consideraciones importantes al instalar paneles solares. La reducción en el tamaño de un inversor podría disminuir de manera significativa la mano de obra necesaria para instalar y mantener los paneles solares.
Midnite Solar, un fabricante de productos de energía alternativa con sede en Arlington, Washington, ha empleado los MOSFET de SiC de Rohm en controladores de carga solar, controladores de carga MPPT duales, cargadores/inversores basados en baterías e inversores/cargadores de 120/240 V. Mientras intentaba hacer que un inversor funcionara como un cargador, donde el funcionamiento debe ser bidireccional, Midnite Solar probó inicialmente un par IGBT en combinación con otro diodo. Pero eso no funcionó del todo y, finalmente, SiC resolvió el rompecabezas del diseño.
Luego está Delta Energy Systems, que ha utilizado los MOSFET de SiC de Wolfspeed en su inversor de energía solar para reforzar la densidad de potencia y la eficiencia energética al mismo tiempo que reduce el peso de los inversores.
