¿Por qué elegir SiC en lugar de Si para su próximo diseño de cargador integrado bidireccional?

Este artículo corresponde a una serie de dos partes en las que se analizan las consideraciones de diseño de los sistemas de cargador incorporado (OBC) y las ventajas que tiene el SiC sobre el Si para los OBC, centrándose en los cargadores bidireccionales. Las ventajas prácticas de implementar SiC en Si para los OBC se detallan en una comparación de diseños de referencia para un OBC de Si y SiC, con un análisis de ahorro de costos y un desglose de los beneficios del sistema.

¿Por qué SiC?

El SiC ya está presente en un gran número de aplicaciones de electrónica de potencia, como los suministros de energía, la conversión de energía solar, la conversión de la misma para otras fuentes renovables y los inversores para los accionamientos de motores industriales. Este semiconductor WBG se encuentra en una posición única para servir a la mayor parte de las aplicaciones en el espectro de potencia, desde dispositivos de baja energía hasta sistemas de alta potencia, debido a su combinación única de campo eléctrico esencial (2,2 × 10⁶ V/cm), velocidad de los electrones, punto de fusión (300 °C) y conductividad térmica (4,9 W/cmK). En el nivel de los transistores, esto conduce a una baja resistencia de estado activado (R_(DS)on) que permite reducir las pérdidas de conducción, lo que a su vez permite aplicaciones de alta corriente. La menor capacitancia del dispositivo en relación con los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) basados en Si permite reducir las pérdidas de conmutación a altas frecuencias de estas con filtros más pequeños, componentes pasivos y un sistema general de administración térmica más sencillo.

Wolfspeed se especializa en el diseño y desarrollo de sistemas de SiC, desde el desarrollo de la oblea base hasta el diseño hasta el soporte de los equipos de SiC instalados. Tabla 1 detalla las ventajas del SiC, así como los beneficios compuestos cuando se aprovecha la experiencia de Wolfspeed en SiC.

Tabla 1

Estas convenientes cualidades han catapultado el uso de convertidores CA/CC y CC/CC basados en SiC en aplicaciones de vehículos eléctricos de baja a alta potencia. Esto es en especial cierto en el caso de los OBC que se utilizan en vehículos eléctricos como las bicicletas a batería, los vehículos eléctricos híbridos (HEV), los automóviles eléctricos híbridos con enchufe (PHEV) y varios modelos de vehículos eléctricos con batería (BEV), incluidos los que circulan por la ciudad y los camiones comerciales. Esto es así, sobre todo, con los sistemas OBC de mayor potencia, más allá de los 3,3 kW, que se utilizan para cargar de manera más rápida las baterías de los vehículos electrónicos. Entre los beneficios que se obtienen al hacer esto se encuentran la simplificación del proceso de carga y el hacer que esta tecnología sea más aceptable para los consumidores acostumbrados al motor de combustión interna, o ICE (al mitigar los efectos negativos de la ansiedad por la autonomía).

Por estos motivos, el tiempo de carga y la autonomía efectiva del vehículo tras una carga son parámetros críticos para los fabricantes de vehículos, dos factores que dependen del tamaño de la batería y de la potencia de carga nominal. Estas potencias de carga van desde los sistemas monofásicos de menor potencia, de 3,3 kW y 6,6 kW, hasta los sistemas de alta potencia, de 11 kW y 22 kW. Figura 1 muestra el tipo de vehículo clásico, el tamaño de la batería, el tiempo de carga de 0 % al 100% y las tecnologías competitivas para los OBC de 3,3 kW, 6,6 kW, 11 kW y 22 kW.

Figura 1: Comparación del tipo de vehículo, el tamaño de la batería, el tiempo de carga de 0 % al 100 % y las tecnologías competitivas con los OBC de 6,6 kW y 22 kW incluidos.

Los tipos de vehículos van desde los vehículos electrónicos a batería (BEV) suburbanos hasta los BEV más grandes y de mayor rendimiento, como los camiones electrónicos. Como se muestra en la imagen, incluso con más de 3× la potencia de carga, los vehículos de mayor capacidad pueden seguir teniendo un mayor tiempo de carga del 0 % al 100 %. Esto hace que los OBC sean especialmente eficientes para los sistemas de alta potencia; es decir, se desperdicia menos energía y se obtiene una carga más rápida.

Al margen de la eficiencia de los OBC, parámetros como el costo, el peso y el tamaño son fundamentales, ya que los OBC más pequeños y ligero se pueden implementar de manera más fácil en un vehículo, a menudo con un presupuesto de espacio reducido. Además, el costo del OBC, tanto para el consumidor como para el OEM, tiene un impacto directo en el capex/el resultado final del fabricante y en la facilidad de acceso para el consumidor. Para seguir siendo competitivo, el OBC debe ayudar al VE a alcanzar el precio de los vehículos con motor de combustión interna.

Diseños de OBC bidireccionales de 22 kW: diseño de muestra Si frente a SiC

Ventajas del flujo de potencia bidireccional

Como se dijo en el anterior artículo sobre el diseño de OBC unidireccional, los cargadores bidireccionales pueden lograr de manera inherente mayores eficiencias que los diseños unidireccionales, debido a la omisión de las pérdidas de los diodos. El bloque CC/CC unidireccional incluye el uso del diodo PFC de Viena, mientras que el convertidor resonante LLC unidireccional logra la rectificación de salida con un puente de diodos. Figura 2 muestra el esquema típico de un OBC monofásico bidireccional: el rectificador del puente completo se reemplazó por los MOSFET de SiC de baja pérdida para eliminar las mermas resultantes de la caída de tensión en avance de los diodos rectificadores. Esto, a su vez, reduce la disipación de potencia, lo que simplifica los requisitos de administración térmica.

Mientras que la región de Asia-Pacífico (APAC) lidera la iniciativa de carga bidireccional para vehículos eléctricos, existe una tendencia general hacia el empleo de OBC bidireccionales por su mayor eficiencia del sistema, así como por el potencial de las aplicaciones distintas a V2, incluida la generación de energía de vehículo a hogar (V2H), las oportunidades de carga de vehículo a red (V2G) y los casos de uso de carga de vehículo a vehículo (V2V) (como el arranque de otro vehículo eléctrico).

Figura 2: Estructura típica de un OBC monofásico bidireccional

OBC bidireccionales de 22 kW: Si frente a SiC

Como se muestra en la Figura 1, los OBC bidireccionales de Si con tecnologías de superunión de Si y los IGBT de Si son los principales competidores de los OBC bidireccionales de SiC. Sin embargo, en esta sección se explica cómo el SiC supera a estas tecnologías en todos los aspectos relevantes (costo, tamaño, peso, densidad de potencia, eficiencia). Comencemos por la Figura 3, que muestra un esquema de referencia para un OBC bidireccional de 22 kW basado en Si y SiC, am mostrar una comparación en el número de dispositivos de potencia y controladores de compuerta.

Figura 3: Representación esquemática de un OBC bidireccional de 22 kW basado en Si y otro basado en SiC.

Table 2 se enumeran las especificaciones respectivas de la primera etapa PFC tótem CA/CC y de la segunda etapa resonante CLLC bidireccional CC/CC. Tanto en la imagen como en la tabla, se puede ver fácilmente que existe una disminución de más del 30 % en el dispositivo de potencia y en los controladores de compuerta desde el diseño de Si a los de SiC, con el beneficio adicional de más del doble de la frecuencia de conmutación. Esto permite reducir el tamaño de los componentes, el peso y el costo del sistema de conversión de energía en su conjunto, a la vez que funciona con una mayor eficiencia.

Tabla 2

OBC bidereccional de 22 kw: Si frente a SiC

El ahorro de costos se desglosa aún más en la Figura 4 con un desglose de costes del sistema para los de Si y SiC. El sistema de Si es casi un 20 % más caro que el de SiC, lo que se debe en gran medida a la gran cantidad de controladores de compuerta y magnéticos del bloque CC/CC. Por tanto, aunque se puede afirmar que los dispositivos de potencia discretos basados en SiC son relativamente más costosos que los diodos y transistores de potencia individuales basados en Si, cuando se emplean dentro de un sistema, las capacidades de los dispositivos de SiC permiten aprovechar menos, por lo que se reducen los costos de los componentes del circuito necesarios para soportar las diversas funciones de los dispositivos de potencia.

Además del ahorro de costos, el sistema de SiC es capaz de producir una eficiencia máxima del 97 % con una densidad de potencia de 3 kW/L, mientras que el OBC de Si logra una eficiencia del 95 % con una densidad de potencia de solo 2 kW/L. Este aumento de la eficiencia del sistema podría suponer un ahorro energético anual de, al menos, USD 40 para el consumidor.

Figura 4: Desglose del costo del sistema de OBC bidireccional de 22 kW en implementaciones de SiC frente a Si

Tabla 3 compara los costos, la densidad de potencia, el ahorro operacional y el ahorro basado en el CO2 entre las implementaciones tanto de Si y SiC de un OBC bidireccional de 6,6 kW como de uno de 22 kW. El ahorro es mucho mayor cuanto más alto es el espectro de potencia de un OBC. Tanto los OBC bidireccionales de 6,6 kW como los de 22 kW basados en SiC tienen un menor costo de la lista de materiales, lo que en última instancia reduce el precio del sistema para el OEM. Cuando se combina con el ahorro operacional y el ahorro de CO2 de los motores de SiC, el ahorro repercute en el consumidor, lo que cierra así la brecha de precios con las soluciones basadas en los motores de combustión interna, al tiempo que ayuda a reducir las emisiones para el planeta.

Tabla 3: Ventajas del sistema de SiC

Conocimientos de Wolfspeed en SiC

El legado de más de 30 años de Wolfspeed en el diseño y desarrollo de componentes y sistemas de SiC ayuda a reducir las barreras para que un diseñador emplee componentes basados en SiC altamente deseables en su próximo OBC. La combinación de la amplia selección de dispositivos de potencia de SiC de Wolfspeed, los sistemas de SiC y la experiencia permiten el rápido desarrollo de topologías de diseño robustas que funcionan de forma confiable en terreno. En la cartera de productos de Wolfspeed ya hay disponibles OBC bidireccionales completos, junto con etapas individuales de CA/CC y CC/CC. Esto incluye un OBC bidireccional de 6,6 kW con una eficiencia del sistema del 97 % y bloques de convertidores de OBC bidireccionales CA/CC y CC/CC de 22 kW que pueden alcanzar eficiencias de hasta el 98,6 %. (Figura 5).

Figura 5: Bloques de convertidores de OBC CA/CC y CC/CC bidireccionales de 6,6 kW y 22 kW basados en SiC de Wolfspeed

Desde una completa cartera de productos hasta un exhaustivo soporte de ingeniería y aplicaciones con una plataforma de simulación en línea y expertos de la industria, Wolfspeed ofrece una base completa para el diseño y desarrollo de sistemas de SiC. Esto se extiende a los OBC con base en SiC, en los que los OEM pueden aprovechar los aspectos más deseables en su próximo diseño, a la vez que reducen el costo, al trasladar el ahorro del costo de la lista de materiales y la eficiencia del diseño al cliente.